先楫SPI Data Merge 功能详解和实践
HPM SPI Data Merge 功能详解和使用
一、问题背景
SPI 主机通过 DMA 发送数据时，默认每次 DMA 事务只搬运 1 字节（DMA_TRANSFER_WIDTH_BYTE）到 SPI 的 DATA 寄存器。这导致每发送一个字节，DMA 就要完成一次请求→响应→写入的完整握手流程，字节之间产生显著的时间间隔。
以 50MHz SCLK 为例，理论吞吐量 25MB/s，但实测字节间隔可能让有效速率大幅下降。
二、Data Merge 的工作原理
Data Merge 是 SPI TRANSFMT 寄存器的 bit7（DATAMERGE_MASK = 0x80）：
SPI_TRANSFMT.DATAMERGE = 1 时：
- DMA 按 32-bit WORD 宽度写入 SPI DATA 寄存器
- SPI 控制器内部自动将 1 个 WORD拆解为 4 个连续字节串行发出
- 发送端：4 字节仅触发 1 次 DMA 事务，而非 4 次
- 接收端：SPI 将 4 个连续字节打包成 1 个 WORD，DMA 按 WORD 宽度一次性搬走效果：DMA 事务数减少 4 倍，字节间间隔几乎消除，有效吞吐量逼近理论值。
前提条件：Data Merge 仅在 DATALEN=8bit（即 data_len_in_bits=8）时可用。因为 Merge 的本质是将 4 个 8-bit 数据单元合并为 1 个 32-bit WORD，当数据单元本身就是 16/32-bit或者其他bit时，无法再做 4:1 合并。
Data Merge vs 直接 32-bit DATALEN
一个容易混淆的问题：为什么不直接把 DATALEN 设为 32-bit 来获得 WORD 宽度传输？两者有本质区别：
| 对比项 | Data Merge (DATALEN=8bit + DATAMERGE=1) | 直接 32-bit DATALEN |
|---|---|---|
| SPI 总线帧格式 | 每个 SCLK 周期传输 1 bit，4 个 8-bit 帧依次发出 | 每个 SCLK 周期传输 1 bit，1 个 32-bit 帧整体发出 |
| 对端设备感知 | 收到 4 个独立的 8-bit 数据，与普通 SPI 8-bit 传输完全一致 | 收到 1 个 32-bit 数据帧，需要对端也支持 32-bit 帧格式 |
| 适用对象 | 标准 8-bit SPI 外设（NOR Flash、传感器等） | 仅 32-bit SPI 外设（某些 ADC/DAC、并行数据接口） |
| 长度灵活性 | 可动态开关 merge，非对齐时回退 BYTE | 必须 32-bit 对齐，无回退机制 |
| DMA 宽度 | WORD（合并 4 个 BYTE） | WORD（天然 32-bit） |
总结：Data Merge 是在 保持 8-bit SPI 协议不变 的前提下，仅优化 DMA 与 SPI 控制器之间的搬运效率；而 32-bit DATALEN 是真正改变了 SPI 总线上的数据帧长度，对端设备必须能解析 32-bit 帧。大多数 SPI 外设（NOR Flash、显示屏等）只支持 8-bit 帧，此时只能用 Data Merge。
性能对比
| 模式 | DMA Width | 128 字节的事务数 | 字节间隔 |
|---|---|---|---|
| 无 Merge | BYTE | 128 次 | 明显 |
| 有 Merge | WORD | 32 次 | 几乎消除 |
实测数据（传输 512 字节）：
| 配置 | SCLK | Merge | 耗时 | 实测带宽 | 理论带宽 | 结论 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 66M SCLK + Merge | 66MHz | ✅ | 15.352μs | ~33MB/s | 33MB/s | 实测与理论值接近 |
| 80M SCLK + Merge | 80MHz | ✅ | 12.794μs | ~40MB/s | 40MB/s | 实测与理论值接近 |
| 无 Merge（任意频率） | - | ❌ | - | - | - | 字节间隔显著，有效速率远低于理论值 |
关键现象：无 Merge 时 SCLK 时钟脉冲不连续，逻辑分析仪实测 SCLK 频率低于配置值（DMA 每字节握手产生间隙）；开启 Merge 后时钟连续，实测带宽吻合理论计算。
下图展示了无 Merge 时 SCLK 的不连续现象，60MHz SPI SCLK, 字节之间出现明显间隔：
下图展示了开启 Merge 后 SCLK 连续输出，字节间无间隔：
在66M的SPI SCLK时钟下，逻辑分析仪抓到的SCLK能保持连续，并且数据能对的上。512字节耗时15.352us，合计33MB/S左右，与理论速度33MB/S接近。
三、使用方法
以下代码模式在 SDK 中多处使用，主要参考来源：
| 来源 | 路径 | 说明 |
|---|---|---|
| Serial NOR Flash 驱动 | components/serial_nor/interface/spi/hpm_serial_nor_host_spi.c |
TX/RX merge 动态开关，最完整的实战示例 |
| SPI 驱动 API | drivers/inc/hpm_spi_drv.h |
spi_enable/disable_data_merge 定义 |
| 寄存器定义 | soc/HPM5100/ip/hpm_spi_regs.h |
TRANSFMT_DATAMERGE_MASK(0x80) 定义 |
3.1 发送（TX）场景
/* 条件：数据长度必须是 4 的整数倍 */
if ((len % 4) == 0) {
spi_enable_data_merge(SPI_PTR); // 开启 merge
data_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_WORD; // DMA 用 WORD 宽度
} else {
data_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_BYTE; // 不能 merge，回退到 BYTE
}
/* TX DMA 配置时建议降低 FIFO 阈值，减少启动延迟 */
spi_set_tx_fifo_threshold(SPI_PTR, 3);
/* 传输结束后关闭 merge，避免影响下次非对齐传输 */
spi_disable_data_merge(SPI_PTR);3.2 接收（RX）场景
/* RX DMA 总是开启 merge，提升接收吞吐量 */
spi_enable_data_merge(SPI_PTR);
data_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_WORD;
/* 非 4 对齐的长度：DMA 传输尺寸向上取整到 4 字节 */
if ((len % 4) == 0) {
dma_send_size = len;
} else {
dma_send_size = ((len >> 2) + 1) << 2; // 多读几个字节
}
/* DMA RX 以 WORD 宽度搬运 dma_send_size 字节 */
spi_rx_trigger_dma(..., DMA_TRANSFER_WIDTH_WORD, dma_send_size);3.3 Serial NOR Flash 驱动中的典型模式
参考 hpm_serial_nor_host_spi.c：
| 操作 | Data Merge | DMA Width | 长度限制 |
|---|---|---|---|
| 写 Flash | 仅 len%4==0 时开启 |
WORD 或 BYTE | 非 4 对齐用 BYTE |
| 读 Flash | 总是开启 | WORD | DMA 尺寸向上取整到 4 |
四、注意事项
- 数据位宽限制：Data Merge 仅适用于
data_len_in_bits=8（8-bit 数据单元） - 长度对齐：TX 方向数据长度必须 4 字节对齐才能开启 merge；RX 方向可以向上取整（多读几个无效字节不影响正确数据）
- 及时关闭：merge 开启后影响后续传输的 DMA 宽度，每次传输结束后必须
spi_disable_data_merge - TX FIFO 阈值：开启 merge 写时建议
spi_set_tx_fifo_threshold(ptr, 3)，降低阈值加速 DMA 填充启动 - Cache 操作：merge + DMA 使用 WORD 宽度访问 buffer，若 buffer 在可缓存区域需确保 writeback/invalidate 覆盖完整 cache line；若 buffer 放在
.noncacheable区域（如 AHB SRAM）则无需 cache 操作