XIP — выполнение программы прямо из флеш-памяти

XIP (execute in place — «выполнение на месте») — режим, в котором процессор выполняет программу прямо из внешней флеш-памяти, не копируя её в оперативную. Он нужен микроконтроллерам без встроенной флеш: программа хранится в дешёвой отдельной микросхеме SPI- или QSPI-флеш нужного объёма.

Как устроено на RP2040. По даташиту Raspberry Pi у RP2040 нет встроенной энергонезависимой памяти. Внешняя флеш подключается по QSPI и отображается в адресное пространство процессора: обращение по адресу этой области превращается в чтение из флеш. Чтобы это не было медленно, между процессором и флеш стоит кэш:

Одна и та же флеш видна по нескольким адресам с разной политикой: с кэшем, без обновления кэша, в обход кэша. А если кэш не нужен, его можно использовать как дополнительные 16 КБ ОЗУ. Raspberry Pi предупреждает: при отключённом кэше обращения идут к флеш напрямую, и выполнение кода сильно замедляется.

У RP2350 подсистема XIP та же по идее: по даташиту к интерфейсу QSPI подключают флеш или PSRAM, есть второй вывод выбора для ещё одной микросхемы, а строки кэша можно закрепить как ОЗУ.

Что это значит для программиста:

• Промахи кэша стоят времени. Пока код в кэше, он выполняется быстро; при промахе процессор ждёт, пока данные придут из флеш по последовательной шине. Время выполнения становится менее предсказуемым — это аналог тактов ожидания у встроенной флеш.
• Критичный код — в ОЗУ. Обработчики прерываний, работающие с жёсткими сроками, и функции, которые выполняются во время записи во флеш, размещают в оперативной памяти.
• Запись во флеш. Пока флеш стирается или программируется, она не может отдавать код, а кэш нужно учитывать, — Raspberry Pi отмечает, что согласованность кэша важна именно при программировании флеш.

Внешнюю флеш используют и чипы Espressif — прошивка записывается в неё по адресам, описанным в статье о прошивке ESP32. Обзор чипов Raspberry Pi — в разделе RP2040 и RP2350.