XIP（eXecute In Place）

1.什么是XIP

​ eXecute In Place，即芯片内执行、就地执行，是指CPU直接从存储器中读取程序代码执行，而不用再读到内存中。应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

​ flash内执行是指nor flash不需要初始化，可以直接在flash内执行代码。但往往只执行部分代码，比如初始化RAM。好处即是程序代码无需占用内存，减少内存的要求。

​ XIP是复杂性和速度的权衡，而这就意味着XIP通常仅用于Bios或RAM极度短缺的情况。

• 注意：片内执行不是说程序在存储器内执行！

​ Nor Flash能在芯片内执行，指的是CPU能够直接从Nor flash中取指令，供后面的译码器和执行器来使用。可以理解为：在这一时刻，Nor Flash实现了Memory的功能。

2.如何实现XIP

​ 为实现就地执行，必须满足几个条件：

1. 存储器必须提供与内存相似的接口给CPU。

2. 该接口必须提供足够快的读取操作，并具有随机访问模式。

3. 如有文件系统，则需要提供合适的映射功能

4. 程序链接时需要知道存储器的地址或地址与位置无关。

5. 程序不能修改已加载映像中的数据。

​ 因为NOR Flash和EEPROM通常能满足上述要求，所以其可以XIP。

3.为什么Nor Flash可以实现XIP，Nand flash不行

3.0 注意

​ Nand只是不适合做XIP,但并不是不能做XIP。当解决下列问题时，Nand也可以实现XIP。

3.1.嵌入式中代码的执行方式：

​ 嵌入式系统中代码的执行方式主要有3种：

（1）完全映射：嵌入式系统程序运行时，将所有代码从非易失存储器（Flash、ROM等）复制到RAM中运行。

（2）按需分页：只复制部分代码到RAM中，这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理，如果访问位于虚拟内存中但不在物理RAM中会产生页错位，这时才将代码和数据映射到RAM中。

（3）XIP：在系统启动时，不将代码复制到RAM，而是直接在非易失性存储位置执行，RAM中只存放需要不断变化的数据部分

• 如下图所示：

​ Nor flash和rom的读取速度为百ns级别（约100ns），比较适合XIP。而Nand flash的读取操作是基于扇区的，速度相对很慢（us级），因此不适合实现XIP。

​ 不过Nand flash的写入速度比Nor的快，更适合做存储和下载系统。

3.2.芯片的结构不同

​ NOR flash之所以可以片内执行，就是因为他符合CPU去指令译码执行的要求。CPU送一个地址出来，NORflash就能给一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。
​ NAND flash不一样，是因为Nand flash有地址，数据，命令共用IO口的问题，Cpu把地址发出来之后，并不能直接得到数据，还需要控制线的操作才能完成。就是他没有专用的SRAM接口。

​ 这张图里的很直观。左边是普通的flash，可以理解成是Nand Flash，CPU想要从Nand Flash中读取数据，必须要先通过在RAM中计算地址，各种时序计算，然后通过MMU转换地址，然后给Nand flash发送命令，注意是命令，不是地址，Nand Flash根据命令进行相应的操作，如果是读命令，则返回对应地址的数据到RAM中，如果是写命令，则进行写操作。

​ 而右边的图，是针对Nor Flash的，这个很明显，CPU可以像读内存一样，直接跟Nor flash交互，即可以直接从Nor Flash中取指令，然后交给译码模块和执行模块进行执行，可以说，相比较Nand flash，Nor flash的操作对于CPU来说，简直就像是面对面一样。

3.3 其他原因

​ 一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续（至少是逻辑连续的）且正确的。而在读取Flash时候，容易出现位翻转（bitconvert）。NAND的出现几率要比NorFlash大得多。这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法。

​ 但是，如果能保证不出错，也还是可以进行XIP的。

4.系统引导时的XIP

​ 通常，Bios引导程序是一个XIP程序，它链接时会指定从flash芯片 power on后的映射地址开始运行，完成相关设置后，把后续的引导程序或操作系统内核加载进RAM。

​ 在这初始化期间，可写存储器可能不可用，所有的计算都必须在CPU寄存器中执行。因此，Bios阶段的引导程序通常以汇编编写，提供尽量少的功能。只需要为下一阶段程序的提供正常的执行环境即可。有些处理器也能通过嵌入少量SRAM或者采用CAR方式（将Cache用作RAM）来实现高级语言程序的运行。

​ 对于内核和引导程序，地址空间通常是内部分配的。为了使用XIP，需要指示链接程序，将不可修改的数据和可修改数据放在不同的地址区间，并提供将可修改数据复制到可写内存的机制，使任何程序正常访问这些数据。

5.文件系统的XIP

​ 文件系统的XIP通常难以满足。在没有页表的系统中，整个文件必须连续存储，不能碎片化，而基于闪存的文件系统为了延长生命周期，通常会将数据分配到擦除周期最小，磨损最少的扇区。

​ AXFS （高级XIP文件系统，Advanced XIP File System）是Linux系统上一种较新的文件系统，旨在克服与XIP相关的，特别是在XIP用户空间应用程序方面的某些缺点。

​ 例如，可以将可执行的二进制文件拆分为“ XIP区域”，从而避免了上面提到的碎片限制。