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HPI自舉在TMS320VC5402芯片上的實現(xiàn)
摘要：在由TI系列DSP組成的多機系統(tǒng)中，往往用HPI進行多機數(shù)據(jù)交換。由于HPI的功能特性，產(chǎn)生了一種新的應(yīng)用——使用HPI對DSP進行自舉。介紹了使用HPI對TMS320C5402進行自舉，從而省掉了DSP的EPROM，使DSP只使用SRAM，提高了處理速度，并使HOST CPU具有更大的控制權(quán)，很適合多處理器系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：自舉 DSP Bootloader
當前，數(shù)字信號處理器（DSP）芯片以其強大的運算能力在通信、電子、圖像處理等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用DSP的系統(tǒng)可以按處理器使用的數(shù)目分為單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)。單DSP的系統(tǒng)盡管結(jié)構(gòu)簡單，但系統(tǒng)的功能將不可避免地有有所限制。由于DSP的控制功能不是非常強大，在應(yīng)用中往往不得不把DSP作為目標系統(tǒng)專門負責復(fù)雜的運算，而另外使用一個主機（PC機或是單片機）對整個系統(tǒng)的運行實行控制。所以，在使用DSP的多處理器系統(tǒng)中，主機（單片機、PC機、另一個DSP芯片）與目標系統(tǒng)DSP的數(shù)據(jù)交換就成應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮的重要問題。
1 主機接口的傳統(tǒng)解決方案
解決主機與目標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換是一個非常復(fù)雜的問題，傳統(tǒng)的方式是采用DMA（Direct Memory Access）或全局存儲器（Global Memory）完成多機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享。在DMA方式下，讀寫共享人存必須要求其它處理器處于停止工作的狀態(tài)，所以DMA共享存儲器的方式往往不為人所用。全局存儲器是多個處理器共享的存儲器。在使用全局存儲器的應(yīng)用系統(tǒng)中，DSP的地址空間被分成局部塊（Local Section）和全局塊（Global Section）。局部塊用于完成處理器自己的工作，而全局塊則用來完成與其它處理器的通信工作。在TMS320C5x器件中，使用全局存儲器分配寄存器Greg完成對全局內(nèi)存的管理工作。Greg指定部分DSP內(nèi)存為全局內(nèi)存。比如，TMS320C5x器件能夠分配全局數(shù)據(jù)內(nèi)存空間，并通過BR（Bus Request）和hcs控制信號實現(xiàn)與該內(nèi)存的通信。當需要尋址全局內(nèi)存空間時，BR和hcs信號變低電平。于是外部邏輯進行全局內(nèi)存控制權(quán)的裁決，裁決的結(jié)果將通過選通信號通知某個TMS320C5x，從而使該DSP現(xiàn)在就擁有對全局內(nèi)存的控制權(quán)。顯然，使用全局內(nèi)存的方式來完成多DSP的共享數(shù)據(jù)通信是非常方便的。但是，應(yīng)用系統(tǒng)往往由單片機作為主機，DSP作為目標系統(tǒng)構(gòu)成。由于當前使用最多的單片機往往是8位機，使用16位機的共享內(nèi)存完成主機與DSP的數(shù)據(jù)交換不是處理太復(fù)雜就是資源利用不充分。為了解決DSP與低檔8位主機的數(shù)據(jù)交換問題，TI公司在TMS320C54x系列中使用了HPI接口。HPI將以往一些需片外實現(xiàn)的功能集成在片內(nèi)，簡化了與主機的連接，同時主機可以達到很高訪問速度。該HPI端口在TI TMS320C6x系列的器件中也得到了保持，且功能有所增強。
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2 TMS320VC5402的HPI
TMS320VC5402是TI公司的54X系列定點DSP，具有低功耗，高性能的特點。
CPU 增強的多總線結(jié)構(gòu)，三條獨立的16bit數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線；40bit運算邏輯單元（ALU），包括一個40bit的桶形移位器和兩個獨立的40bit累加器，17bit×17bit并行乘法器；連接一個40bit的專用加法器，可用來進行非流水單周期乘/加（MAC）運算；比較、選擇和存儲單元（CSSU）用于Viterbi運算器的加/比較選擇；指數(shù)編碼器在一個周期里計算一個40bit累加器的指數(shù)值；兩個地址發(fā)生器中有八個輔助寄存器和兩個輔助寄存器運算單元（ARAUs）；數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性。
存儲器 擴展地址模式可最大尋址到1M×16bit外部程序空間，4K×16bit片上ROM，16K×16bit雙訪問片上RAM。
指令集 支持單指令循環(huán)和塊循環(huán)，存儲塊移動指令提供了高效的程序和數(shù)據(jù)存儲器管理，支持32bit長字操作數(shù)指令，支持兩個或三個操作數(shù)讀指令，支持并行存儲和并行加載的算術(shù)命令、條件存儲指令和中斷快速返回，支持定點DSP C語言編譯器。
片上硬件資源 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和可編程存儲單元轉(zhuǎn)換，連接內(nèi)部振蕩器或外部時鐘源的鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生器，兩個多通道緩沖串口（McBPs），增強型8bit并行主機接口（HPI8），兩個16bit定時器，6通道直接存儲器訪問（DMA）控制器。
電源 低功耗，工作電源有3.3V和1.8V（內(nèi)核），用節(jié)電模式的IDLE1、IDLE2及IDLE3指令做功率控制，可禁止CLKOUT信號。
速度 在3.3V供電（1.8V核心電壓）下單周期定點指令的執(zhí)行周期為10ns（100MIPS）。
仿真 符合IEEE1149.1邊界掃描邏輯標準的片內(nèi)掃描仿真邏輯接口。
TMS320C54x系列DSP芯片中的HPI，能夠順序傳送或隨機傳送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生HOST中斷和C54x中斷，接口靈活，并可通過DMA總線訪問片內(nèi)RAM。當TMS320C54x與主機（或主設(shè)備）交換信息時，HPI是主機的一個外圍設(shè)備。HPI有8根數(shù)據(jù)線HD（0～7），在TMS320C54x與HOST傳送數(shù)據(jù)時，HPI能自動將外部接口傳來的連續(xù)數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)后傳送給DSP。如果HOST和DSP競爭同一個地址，則HOST優(yōu)先，DSP等待一個HPI周期。
TMS320C54x系列發(fā)展到TMS320VC5402的時候，其HPI已經(jīng)得到了增強，被稱為HPI-8。和TMS320C54x系列前幾款芯片中的標準HPI相比，HPI-8在幾個方面有所不同，見表1。
表1 HPI-8和標準HPI的主要差別
HOST訪問總是與TMS320C54z時鐘同步
HOST和TMS320C54x都可訪問片內(nèi)RAM 可訪問所有片內(nèi)2K的RAM空間
HOST-Only模式下HOST訪問與TMS320C54x時鐘同步
HOST-Only模式，HOST具有獨占的訪問權(quán)
HPI-8的使用是通過對HPIA、HPIC和HPID三個寄存器賦值實現(xiàn)的。HPIA是地址寄存器，HPIC是控制寄存器，而HPID是數(shù)據(jù)寄存器。簡單地說，HOST通過外部引腳HCNTL0和HCNTL1選中不同的寄存器，則當前發(fā)送8位數(shù)據(jù)就到該寄存器。在使用上，由于HPIC是16位寄存器，而HPI-8是8位的數(shù)據(jù)寬度，所以HOST向HPIC寫數(shù)據(jù)時，需要發(fā)送兩個一樣的8位數(shù)據(jù)。而地址寄存器HPIA選擇后，直接向它寫數(shù)據(jù)就可以了，但是要注意MSB和LSB的順序。另外，HPIA具有自動增長的功能，在每寫入一個數(shù)據(jù)前和每寫入一個數(shù)據(jù)后，HPIA會自動加1。這樣，如果使能了該功能，只需設(shè)定一次HPIA即可實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)塊的寫入和讀出。數(shù)據(jù)寄存器HPLD，嚴格就應(yīng)該叫做數(shù)據(jù)緩沖寄存器，因為最終數(shù)據(jù)是要寫到片內(nèi)RAM的。只是在實現(xiàn)上，數(shù)據(jù)首先從HOST發(fā)到HPID中，然后根據(jù)HPIA指定的地址，HPID中的數(shù)據(jù)再寫到片內(nèi)RAM的地址中。不過對用戶而言，該過程是透明的。
3 使用HPI對DSP進行自舉
HPI是作為多機數(shù)據(jù)交換而出現(xiàn)的，但是由于其功能特性，又產(chǎn)生一種新應(yīng)用——使用HPI對DSP進行自舉。實際上，TMS320VC5x系列DSP在片內(nèi)固化的Bootloader程序中對HPI自舉提供了全面的支持。筆者在VOIP系統(tǒng)的開發(fā)中，實現(xiàn)了使用HPI對DSP TMS320VC5402的自舉，從而省掉了DSP的EPROM，使DSP只使用SRAM，提高了處理速度，并使HOST CPU具有更大的控制權(quán)，很適合多處理器系統(tǒng)。對于計算機插卡式的DSP系統(tǒng)，程序可以從PC機的硬盤上獲取，從而減小了插卡版面空間占用，提高了處理速度。
在實現(xiàn)上，需要解決以下幾個問題。
3.1 DSP片內(nèi)固化的Bootloader程序?qū)PI自舉的支持
自舉從本質(zhì)上說就是在DSP啟動后通過某種方式獲取運行代碼并開始運行，這個過程是在固化在DSP片內(nèi)的Bootloader程序輔助下完成的。在DSP上電以后，Bootloader程序按照一定的順序依次檢驗何種自舉方式可用，自舉方式包括HPI方式、Serial EEPROM方式、標準Serial Port方式、Parallel方式和I/O方式。
Bootloader查詢HPI方式是否可用是這樣進行的：在啟動以后，DSP片內(nèi)0x7f地址的值被置為0，Bootloader不斷檢驗0x7f地址處是否出現(xiàn)了可用的程序指針的跳轉(zhuǎn)地址。當其發(fā)現(xiàn)該地址內(nèi)的值不為0時，即判定為DSP已由外部HOST CPU進行了HPI自舉程序加載，并按照該值跳轉(zhuǎn)PC指針，開始運行，從而完成HPI方式自舉
3.2 突破4K的空間限制
由于HPI-8的特性，HOST能夠訪問所有的片內(nèi)RAM空間，對于TMS320VC5402來說，其片內(nèi)RAM地址空間從0000H到3fffH，一共4K。這已經(jīng)大大超過了標準HPI的2K的大小，但是對于大多數(shù)DSP應(yīng)用程序來說，片內(nèi)RAM除了放置程序代碼以外，很可能還需要留出一部分供數(shù)據(jù)空間使用。實際上，大部分代碼都可能放置在片外的程序空間，而這部分空間并不是HOST通過HPI-8所能夠訪問得到的。所以需要使用某種技術(shù)突破4K的片內(nèi)RAM空間限制。由于DSP程序本身是能夠訪問到所有DSP程序、數(shù)據(jù)空間的，所以HOST可以首先放置一個體積不大于4K的程序到DSP內(nèi)，再由該程序和HOST協(xié)作完成超出片內(nèi)RAM的代碼放置工作。
一般將上述的首先放入DSP的程序稱為kernel程序，其功能比較簡單，本身不超過4K，可以由HOST全部放入到TMS320VC5402的片內(nèi)RAM中，并被啟動。
基于此種思路的流程圖如圖1所示。
3.3 程序代碼的定位
編程序的時候使用符號作為地址，經(jīng)編譯、鏈接后，符號所表示的相對地址已經(jīng)轉(zhuǎn)化為絕對地址。要使程序能夠正常運行，需要將程序代碼寫到指定的位置——絕對地址。在HOST→Kernel→DSP應(yīng)用的HPI自舉方式中，HOST和Kernel需先后完成Kernel代碼和DSP應(yīng)用程序代碼的定位工作。
因此，在HOST CPU的外存儲器中，至少需要保存DSP程序代碼和相應(yīng)的地址信息。這些數(shù)據(jù)在由自舉程序?qū)懙紻SP后，被拼接成正確的可執(zhí)行代碼、已初始化數(shù)據(jù)等，并被正確定位。一般來說，HOST CPU的外存儲器中的DSP自舉數(shù)據(jù)是HEX格式的。雖然HEX格式有很多種，但任何一種包含有地址等信息的16進制HEX格式文件都是適用的。
常見的HEX格式有ASCII、Intel、TI-Tagged等格式，如圖2所示。
在各種HEX格式中，Intel格式相對來說比較適宜，因為在Intel格式的HEX文件中，代碼被分為每行一個塊，這種分塊的最大長度固定，因此在DSP內(nèi)預(yù)留的緩沖區(qū)的大小容易計算。Intel格式的HEX文件的格式為：BYTE1作為每塊的起始標志，總是“：”；BYTE2-3表示該真中有效數(shù)據(jù)的長度，最長為32個BYTE。這種有效數(shù)據(jù)可能是程序代碼，也可能是擴展地址信息；BYTE4-7表示該真內(nèi)代碼的起始地址；BYTE8-9是類型，00表示程序挖出，01表示結(jié)束，04表示擴展地址信息；BYTE10之后是代碼，直到最后兩個BYTE，表示校驗位。校驗位的值是該真中先前數(shù)據(jù)值和的補碼。
根據(jù)選定的HEX格式，CPU首先按照該格式的定義對Kernel的HEX數(shù)據(jù)進行解釋，獲取各種信息后，CPU將其在TMS320VC5402片內(nèi)RAM中組成可執(zhí)行DSP程序。然后在CPU和kernel的共同作用下，對DSP應(yīng)用程序的HEX數(shù)據(jù)進行解釋，最后完成其在DSP中的拼接、定位并啟動DSP應(yīng)用程序——跳轉(zhuǎn)到DSP應(yīng)用程序的起始地址。
4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)框圖
在筆者開發(fā)的VOIP系統(tǒng)中，使用了HPI對DSP（TMS320VC5402）進行自舉的功能。其中相應(yīng)部分的框圖如圖3所示。
對于PC機插卡的系統(tǒng)，該框圖更可以省略掉HPI以右的部分，而直接使用PC機的CPU和硬盤作為相應(yīng)的控制和只讀存儲器件。這樣，僅需要為DSP配備RAM即可使其正常運行。
4.2 Kernel程序設(shè)計
按照前面所說，kernel程序的作用是用于突破MS320VC5402 4K片內(nèi)RAM空間限制的中間程序，其功能無非就是按照和HOST CPU的某種約定，獲取DSP程序代碼和相應(yīng)地址信息，在DSP所能夠訪問到的存儲器空間（片內(nèi)和片外）生成DSP程序代碼。由于Kernel的功能比較少，故其可以做得非常小。其中關(guān)鍵的生成DSP程序代碼部分的代碼如下：
…
.bss addr,1 ；程序代碼目的地址
.bss length,1 ;程序代碼長度
.bss codedata,20 ；接收程序代碼緩沖區(qū)
…
.text
START:
…
MOVE：
STM #addr,AR4 ；獲取程序代碼目的地址
LD *AR4，A
STM #codedata,AR3 ；獲取程序代碼
MVDM #length，AR5 ；獲取程序代碼長度
NOP
MAR *+AR5（#-1）
RPT *（AR5） ；定位
WRITA *AR3+
…
ENDLOAD：
B app_start ；啟動
…
4.3 運行流程
按照前述的系統(tǒng)構(gòu)成，首先將PC機上調(diào)試好的Kernel程序和DSP應(yīng)用程序（一般為COFF格式）轉(zhuǎn)換成HEX文件，并通過串口將這些文件存放到CPU的Flash中，在存放過程中應(yīng)將HEX文件原樣保存，以保留其中所有的信息。在系統(tǒng)啟動后，CPU從Flash中獲取Kernel的HEX數(shù)據(jù)，通過HPI將其在TMS320VC5402中組合出Kernel運行程序并啟動。然后CPU從其Flash中獲取DSP應(yīng)用程序的HEX數(shù)據(jù)，通過HPI將其分塊放入TMS320VC5402，并和已經(jīng)開始運行的Kernel程序最終完成DSP引用程序的正確定位工作。最后啟動DSP應(yīng)用程序。
在實路中發(fā)現(xiàn)，雖然HPI的設(shè)計初衷是為了和低速8位機接口進行數(shù)據(jù)交換，但是HPI本身的工作速度非常高。通過HPI方式加載一段不小于130K的DSP應(yīng)用程序代碼所需要的時間不超過3秒鐘。
TI系列DSP提供了如此豐富的應(yīng)用方式，無疑給DSP系統(tǒng)開發(fā)者帶來了極大的方便。
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