DSP二次Bootloader實(shí)現(xiàn) - 全文

　　本文采用德州儀器公司的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)5509A)，其PGE封裝形式只有14根地址總線(xiàn)(A0～A13)，最大只能尋址16KB的Flash存儲(chǔ)器。若要尋址更大地址空間，就需要控制Flash存儲(chǔ)器的高位地址線(xiàn)。常見(jiàn)的解決方案是采用DSP的通用輸入輸出GPIO(General Purpose Input/Output)引腳來(lái)控制Flash的高位地址線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器的分頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)。然而，對(duì)于較大容量的Flash存儲(chǔ)器，本文介紹了一種基于CPLD快速譯碼的DSP二次引導(dǎo)方法，利用CPLD的時(shí)序嚴(yán)格、譯碼速度快、可在線(xiàn)編程等特點(diǎn)，在 DSP的外部存儲(chǔ)器接口EMIF的CE2空間模擬了一個(gè)Flash換頁(yè)寄存器FPR(Flash Page Register)，在上電復(fù)位后控制Flash的高位地址線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)Flash的分頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC，Macro Cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶(hù)根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線(xiàn)進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。

　　1 TMS320VC5509A的并行引導(dǎo)模式

　　1.1 5509A的引導(dǎo)模式

　　5509A的引導(dǎo)模式選擇是通過(guò)4個(gè)模式選擇引腳BOOTM[3：0]來(lái)配置的，BOOTM3~0引腳分別與GPIO0、3、2、1相連。5509A提供了六種引導(dǎo)模式，即EHPI引導(dǎo)模式、8位/16位并行EMIF引導(dǎo)模式、8位/16位標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)模式、SPI EEPROM引導(dǎo)模式、USB引導(dǎo)模式以及I2C E2PROM引導(dǎo)模式。

　　在16位并行EMIF引導(dǎo)模式下，DSP芯片內(nèi)部固化的Bootloader程序上電復(fù)位后，首先從CE1空間首地址0x200000h處開(kāi)始讀取程序代碼，DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器， 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

　　1.2 5509A的引導(dǎo)表格式

　　程序代碼以引導(dǎo)表的格式存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中。引導(dǎo)表是獨(dú)立于所選引導(dǎo)模式的一種特定的格式，包含了用戶(hù)程序的代碼段、數(shù)據(jù)段、段在RAM中的目標(biāo)地址以及程序入口地址等其他相關(guān)信息。5509A引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

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　　DSP芯片內(nèi)部固化的Bootloader的主要功能是將Flash中存儲(chǔ)的引導(dǎo)表按一定順序加載到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到32位程序入口地址開(kāi)始執(zhí)行。引導(dǎo)表文件可以通過(guò)TI公司提供的16進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成，一般是hex格式，然后將此hex文件燒寫(xiě)到 Flash存儲(chǔ)器中供Bootloader加載。

　　2 DSP二次Bootloader的原理及實(shí)現(xiàn)

　　由上述分析可知，DSP用戶(hù)程序的并行加載過(guò)程是由DSP內(nèi)固化的Bootloader實(shí)現(xiàn)的。由于5509A的PGE封裝只有14根地址線(xiàn)，最多只能訪(fǎng)問(wèn)到16K×16bit地址空間。對(duì)于超過(guò)16KB的用戶(hù)代碼，Bootloader將不能加載全部的引導(dǎo)表文件。

　　二次Bootloader的原理是由用戶(hù)自行編寫(xiě)一個(gè)代碼長(zhǎng)度小于16KB的引導(dǎo)程序(以下簡(jiǎn)稱(chēng) uboot)，其功能與DSP內(nèi)固化的Bootloader相同，用于加載最終的用戶(hù)代碼。BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒(méi)有像BIOS那樣的固件程序(注，有的嵌入式CPU也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序)，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來(lái)完成。比如在一個(gè)基于ARM7TDMI core的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000處開(kāi)始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。

　　2.1 DSP與Flash及CPLD的硬件接口

　　本文采用AMD的 Am29LV800作為DSP的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展。Am29LV800按8位方式訪(fǎng)問(wèn)，容量為1M字;按16位方式訪(fǎng)問(wèn)，容量為512K字。DSP外圍電路邏輯譯碼及Flash高位地址線(xiàn)模擬由CPLD實(shí)現(xiàn)。Xilinx公司的XC9572XL是一款高性能的CPLD芯片，最高主頻可達(dá)178MHz，包含了72個(gè)宏單元，1600個(gè)可用門(mén)電路，其TQFP封裝有72個(gè)可用I/O引腳[7]。圖1是5509A與CPLD及Flash之間的硬件接口設(shè)計(jì)原理圖。

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　　如圖1所示，5509A的地址線(xiàn)A[13：1]與Flash的地址線(xiàn)A[12：0]，A0未用。Flash存儲(chǔ)器被映射到DSP的CE1空間，由片選線(xiàn)CE1經(jīng)CPLD譯碼后選通。其中DSP的地址線(xiàn)A13和A與CPLD接口，用于換頁(yè)寄存器FPR的模擬。

　　2.2 CPLD譯碼VHDL程序設(shè)計(jì)

　　目前DSP系統(tǒng)主頻越來(lái)越高，運(yùn)算速度越來(lái)越快，利用小規(guī)模邏輯器件譯碼的方式已不能滿(mǎn)足DSP系統(tǒng)性能的需求。CPLD是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

　　本文利用CPLD的快速邏輯譯碼功能，模擬了一個(gè)FPR寄存器來(lái)控制Flash的高位地址線(xiàn)。VHDL語(yǔ)言源程序如下：

　　begin

　　fce <=ce1;

　　foe <=aoe;

　　fwe <=awe;

　　h_addr <=a13;

　　l_addr <=a3&a2&a1;

　　datain <=d5&d4&d3&d2&d1&d0;

　　facs <=′1′ when h_addr=′1′

　　and ce2=′0′ and l_addr='000'

　　else ′0′; --CE2 0x400000

　　FPR：process(facs，awe，reset)

　　begin

　　if reset=′0′ then

　　fa<=″000000″;

　　else if reset=′1′ then

　　if awe′event and awe=′1′ then

　　if facs=′1′ then

　　fa<=datain(5 downto 0);

　　end if;

　　end if;

　　end if;

　　end process;

　　dataout<=fa when aoe=′0′ and facs=′1′

　　else ″ZZZZZZ″;

　　d5 <=dataout(5);

　　d4 <=dataout(4);

　　d3 <=dataout(3);

　　d2 <=dataout(2);

　　d1 <=dataout(1);

　　d0 <=dataout(0);

　　fa18 <=fa(18);

　　fa17 <=fa(17);

　　fa16 <=fa(16);

　　fa15 <=fa(15);

　　fa14 <=fa(14);

　　fa13 <=fa(13);

　　end behaviour;

　　由上述VHDL程序可知，F(xiàn)PR寄存器被映射到了CE2空間的0x401000地址。其中引入A13及A[3:1]地址線(xiàn)的目的是為了便于以后的功能擴(kuò)展，映射出更多的寄存器，VHDL全名Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言 。自IEEE-1076(簡(jiǎn)稱(chēng)87版)之后，各EDA公司相繼推出自己的VHDL設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和VHDL接口。1993年，IEEE對(duì)VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本，簡(jiǎn)稱(chēng)93版。VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，得到眾多EDA公司支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。

　　FPR寄存器定義如表2所示。

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　　FPR寄存器的第5～0位分別控制Flash的高位地址線(xiàn)A18～A13，第7～6位無(wú)效。當(dāng)DSP 上電復(fù)位時(shí)，F(xiàn)PR寄存器的值被設(shè)置為全0，此時(shí)Flash的所有高位地址線(xiàn)均處于低電平狀態(tài)，DSP開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)Flash的最低8KB地址單元。復(fù)位結(jié)束，就可以對(duì)FPR寄存器寫(xiě)入值，改變Flash的高位地址，從而實(shí)現(xiàn)Flash的分頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)。這樣Am29LV800 Flash的512K字存儲(chǔ)空間相當(dāng)于被劃分為64頁(yè)(0～63)，每頁(yè)8K字，當(dāng)程序大于一頁(yè)時(shí)，修改FPR，進(jìn)行軟件翻頁(yè)，讀入下一頁(yè)Flash數(shù)據(jù)，此時(shí)FPR寄存器與Flash的地址映射關(guān)系為：

　　Flash地址單元=(FPR《13)+DSP地址線(xiàn)A[13：1]

　　2.3 二次Bootloader的實(shí)現(xiàn)

　　基于上述的設(shè)計(jì)和分析，要實(shí)現(xiàn)大程序的自動(dòng)引導(dǎo)，可以采用二次Bootloader的方法。首先要設(shè)計(jì)一個(gè)uboot程序，大小不能超過(guò)一頁(yè)。將 uboot程序燒寫(xiě)到Flash存儲(chǔ)器的第0頁(yè)，也就是DSP上電復(fù)位后被固化的Bootloader自行引導(dǎo)的那一頁(yè)。uboot的主要功能是通過(guò)修改 FPR寄存器值，并按照引導(dǎo)表的格式讀取Flash存儲(chǔ)器的其他頁(yè)程序到RAM中，最后跳轉(zhuǎn)到用戶(hù)程序的32位入口地址開(kāi)始執(zhí)行，即：

　　unsigned int*FPR=(unsigned int*) 0x401000;

　　若*FPR=1，即可以訪(fǎng)問(wèn)Flash的第1頁(yè)。

　　在編寫(xiě)uboot程序和用戶(hù)程序時(shí)，要對(duì)存儲(chǔ)器空間重新分配，即在定義CMD文件時(shí)，要注意用戶(hù)程序所占用的存儲(chǔ)空間不能與uboot程序占用的存儲(chǔ)空間重疊。因?yàn)閡boot首先被加載運(yùn)行，在運(yùn)行時(shí)加載用戶(hù)程序，也需要占用RAM地址空間。而且uboot程序代碼長(zhǎng)度不能超過(guò)一頁(yè)。當(dāng)燒寫(xiě)Flash時(shí)，必須將uboot程序燒寫(xiě)到Flash的第0頁(yè)，然后將用戶(hù)程序燒寫(xiě)到第一頁(yè)或以后的存儲(chǔ)空間中。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　以煤礦井下煤矸分界傳感器為例，測(cè)試本文介紹的基于CPLD譯碼的DSP二次Bootloader方法。該傳感器采集放煤時(shí)煤矸石振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入DSP經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，分析得出煤矸石放落比例。

　　將大小約2K字的uboot程序燒寫(xiě)到Flash第0頁(yè)，用戶(hù)燒寫(xiě)到第1～3頁(yè)。經(jīng)多次測(cè)試，該系統(tǒng)從上電復(fù)位到開(kāi)始運(yùn)行用戶(hù)程序，耗時(shí)大約0.3s，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。