OMAPL138雙核處理器是由TI推出的雙核處理器，內部包含ARM和DSP兩個內核，已經廣泛應用于對講機等低功耗產品中。目前，OMAPL138雙核處理器的自啟動通常采用AIS轉換器和串口下載程序的方式實現，這種實現方式需要實現串口接收并燒寫AIS轉換器轉換出來的應用程序二進制文件，整個實現比較復雜。本文介紹了一種基于NOR Flash自舉引導啟動實現OMAPL138自啟動的方案，實現簡單，易于掌握。詳細分析了OMAPL138雙核系統的啟動流程和實現方法，對于OMAPL138系統應用具有很強的參考價值。
1 OMAPL138雙核系統NOR Flash自舉啟動原理
    OMAPL138內部包含ARM和DSP雙核，要實現OMA-PL138雙核系統的自舉啟動，就需要實現ARM和DSP雙核啟動。
    本設計采用ARM喚醒DSP的引導啟動OMAPL138雙核系統，這種方式需要實現ARM核bootloader引導程序和ARM、DSP應用程序段的燒寫程序的編寫。OMAPL138程序代碼段在NOR Flash中的地址映射如圖1所示，其中，bootloader代碼段存放在OMAPL138的共享內存空間，共享內存空間位于0x80000000起始地址處，而且bootloader程序代碼段不能超過16 KB，16 KB是NOR Flash引導啟動方式自動拷貝程序代碼段的最大范圍；ARM應用程序代碼段和DSP應用程序代碼段首先都存放在OMAPL138的DDR RAM空間中，DDR的起始地址為0xC0000000， ARM應用程序和DSP應用程序必須存放在DDR中的不同地址空間；最后，ARM中斷向量表存放在ARM_LOCAL_RAM地址空間，位于0xFFFF0000處。

    基于ARM初始化OMAPL138的bootloader主要完成以下幾項工作：
    (1)初始化ARM超級模式下的堆棧；
    (2)OMAPL138的初始化；
    (3)從NOR Flash中拷貝ARM和DSP的應用程序到對應的DDR地址空間；
    (4)喚醒DSP；
    (5)在main函數中調用跳轉到ARM應用程序入口地址執行程序。
    首先，bootloader初始化ARM超級模式下的堆棧，因為在超級模式下可以訪問OMAPL138的所有寄存器，包括特權模式下才能訪問的寄存器，使得ARM系統具備初始化OMAPL138系統條件；其次，OMAPL138的初始化主要包含PSC電源管理模塊初始化、PLL時鐘管理模塊初始化、DDR的初始化和EMIFA初始化等，這些主要是OMAPL138的gel文件中的初始化工作；接下來就是初始化ARM超級模式下的堆棧起始地址和大小，然后就是拷貝ARM和DSP的應用程序到對應的DDR地址空間，這時DSP已經具備了所有啟動的環境，可以直接喚醒DSP；最后，在main函數中直接放一個跳轉指令(*(void(*)(void))0xC0000000)()，實現由bootloader到ARM應用程序的切換。至此，ARM和DSP應用程序都實現啟動運行了。
    最后就是所有程序燒寫的實現。程序燒寫是獨立于bootloader、ARM和DSP應用程序的一個應用程序，主要功能是將bootloader程序、ARM應用程序和DSP應用程序燒寫到NOR Flash對應的地址空間中去。燒寫程序代碼主要是NOR Flash讀寫程序，代碼量不大，可以直接放在OMAPL138共享內存中，但是不能與bootloader代碼空間重疊。
2 系統設計
2.1 bootloader設計
2.1.1 bootloader啟動流程
    首先，bootloader被燒寫到NOR Flash中起始地址位置處， OMAPL138內部固化的一段代碼在上電之后運行，會自動將16 KB的NOR Flash起始地址(0x60000000)處代碼復制到OMAPL138的share RAM共享內存起始地址處(0x80000000)，其中，0x60000000～0x60000004這32 bit存放的是系統固化代碼配置字，可以配置拷貝數據大小、boot啟動方式和訪問數據寬度，這里boot啟動選擇拷貝數據大小為16 bit寬、Legacy NOR boot模式和16 KB數據復制寬度,在拷貝完數據之后，系統會自動跳轉到0x80000004處執行。在0x80000004地址處存放的是一個跳轉指令BL_bootload_init，使得系統固化的啟動代碼在跳轉到0x80000004地址處開始執行的第一個指令就是跳轉到bootloader初始化地址處執行。
    bootloader啟動流程如圖2所示。bootloader起始地址存放的是_bootload_init。首先，該函數更改CPSR的模式控制位和中斷控制位，使ARM處于超級模式下工作，這是因為超級模式可以直接訪問ARM的硬件資源，而且擁有與用戶模式一樣的寄存器，而用戶模式不能直接訪問特權模式下的寄存器；其次，關閉FIQ和IRQ中斷使能，初始化超級模式的堆棧；在超級模式堆棧初始化完成之后，通過BL _OMAPL138_CPU_
Init指令跳轉到OMAPL138的系統初始化函數中去處理，由于在超級模式下調用該函數，所以OMAPL138_CPU_Init()可以直接訪問OMAPL138所有的系統配置寄存器SYS_CFG_
Reg，OMAPL138_CPU_Init()需要完成PSC電源管理模塊初始化、PLL時鐘管理模塊初始化、DDR的初始化和EMIFA初始化等，這些初始化工作是為ARM和DSP應用程序運行提供基本的最小化系統；在OMAPL138初始化完成之后，DDR和EMIFA都已初始化，可以將NOR Flash中的ARM和DSP應用程序拷貝到DDR中，至此，DSP應用程序已經存放在DDR中，并且已經具備了DSP運行的所有環境。接下來即可喚醒DSP。喚醒時需要往系統寄存器HOST1CFG中寫入DSP喚醒初始地址，即DSP應用程序的起始地址。DSP喚醒就相當于對DSP做了一次軟復位，DSP在喚醒之后直接跳到復位異常地址處運行，DSP復位異常地址存放的是_c_int00函數，該函數是DSP的系統庫函數，由該函數初始化DSP運行的C語言環境，并跳轉到DSP主函數中運行。至此bootloader基本工作已經完成，可以直接通過調用函數(*(void(*)(void))0xC0000000)()跳轉到ARM應用程序對應的起始地址處開始運行ARM應用程序[1-3]。

2.1.2 ARM應用程序的初始化
    ARM初始化流程如圖3所示。首先，初始化ARM的各個異常對應的堆棧，這段代碼是ARM應用程序的初始化代碼，一般存放在ARM應用程序代碼段的起始地址處，這樣便于bootloader直接跳轉到ARM初始化開始地址處執行ARM初始化；其次，在ARM異常堆棧初始化完成之后，需要執行LDR PC,_c_int00，這個指令是調用_c_int00函數，這是ARM的一個庫函數，完成ARM運行時需要的C語言環境初始化等，并且在這個函數開始處就直接將模式切換成用戶模式，完成了用戶模式堆棧的初始化，在這個函數最后直接跳轉到ARM的main函數中執行ARM的實際應用程序。ARM初始化還必須把ARM的中斷向量表初始化映射到0xFFFF0000地址處，這是OMAPL138默認的ARM中斷向量表存放地址空間，可以通過cmd文件直接配置。至此，ARM應用程序也開始運行了[4]。

2.1.3 bootloader.cmd和nor_cfg_word.asm的編寫
    nor_cfg_word.asm文件是一個匯編文件，用來實現對NOR Flash自動拷貝bootloader程序大小的配置以及實現到bootloader初始化程序_bootload_init的跳轉。該文件直接由bootloader.cmd配置存放在0x80000000地址處，并且bootloader.cmd文件緊跟著將bootloader.asm啟動文件的匯編代碼存放在nor_cfg_word.asm文件之后。這兩個文件被燒寫到NOR Flash的起始地址空間，并最終通過系統上電啟動自動將nor_cfg_word.asm配置文件和bootloader.asm啟動文件同時復制到0x80000000共享內存share RAM并自動開始運行。
    如圖4所示，在nor_cfg_word.asm文件中第一個指令必須是.word 0x00000F01，用來實現對NOR Flash自舉引導復制程序段的配置，選擇為16 KB復制、Legacy NOR boot和16 bit寬度訪問，緊跟在配置字之后的是一個跳轉指令BL _bootload_init，該指令存放在0x80000004地址處，因為系統上電之后自動跳轉到0x80000004地址處執行程序，即執行BL _bootload_init，_bootload_init是bootloader.asm啟動文件第一個指令對應的地址，從而實現了到bootloader初始化程序的跳轉。

2.2 OMAPL138自舉啟動流程
    整個OMAPL138自舉啟動流程如圖5所示。在Nor_cfg_word中配置NOR Flash的訪問數據寬度、訪問模式和自動搬運數據塊大小，在系統上電之后，就會自動讀取Nor_cfg_word配置，從NOR Flash中搬運16 KB數據到OMAPL138的共享內存share RAM中，然后自動跳轉到share RAM的地址0x80000004中執行。在這里存放的是bootloader代碼第一條指令B _bootload_init，然后執行這條指令，由_bootload_init完成OMAPL138的系統初始化、超級模式堆棧初始化、ARM和DSP應用程序的拷貝和喚醒DSP，整個初始化過程在ARM的超級模式下完成。bootloader最后存放一條指令直接跳轉到ARM應用程序初始化地址處，開始執行ARM應用程序。ARM應用程序的初始化主要是初始化各種ARM異常堆棧，ARM應用程序的初始化最后調用ARM庫函數自帶的初始化C語言環境函數_c_int00，并由該函數自動跳轉到ARM應用程序的主函數中執行，整個ARM自舉啟動完成。DSP在被bootloader喚醒之后直接跳到系統寄存器HOST1CFG中寫入的地址處開始執行。這個DSP開始執行的地址處存放的是DSP自帶的庫函數_c_int00，這個函數會初始化DSP運行所需要的環境，并跳轉到DSP應用程序主函數中執行DSP應用程序。至此，OMAPL138雙核系統就同時啟動運行了[5-6]。

2.3 NOR Flash燒寫代碼工程設計
    在bootloader代碼、ARM和DSP應用程序代碼下載到對應的地址空間之后，這些代碼必須燒寫到NOR Flash指定地址空間。其中，配置代碼段和bootloader必須存放在NOR Flash起始地址處，這些工作由燒寫代碼工程完成。在OMAPL138的共享內存share RAM中，bootloader和配置代碼段占用16 KB空間，剩下的代碼空間可以作為燒寫代碼工程使用空間，這樣就可以使得燒寫代碼完全獨立于其他已經燒寫在內存中的代碼。在整個代碼燒寫過程中，下載到OMAPL138內存中的bootloader、ARM和DSP應用程序都不能運行，因為bootloader代碼中有對DDR的重新初始化過程，這個過程使得系統脫離了OMAPL138的gel文件初始化，而燒寫程序代碼是依賴gel文件的初始化環境運行的。所以，為了避免代碼運行過程中對燒寫代碼工程的影響，需要燒寫的代碼在下載后不可運行，燒寫代碼過程不能斷電，在燒寫完成之后，掉電再開始重新上電，燒寫的bootloader即開始自舉引導啟動OMAL138。
3 仿真結果與分析
    仿真結果如圖6所示。首先，ARM和DSP應用程序中都初始化了串口UART2，用來打印ARM與DSP雙核通信信息，然后ARM應用程序通過配置系統寄存器CHIPSIG中的SYSCFG_CHIPINT3向DSP發送系統中斷。DSP應用程序通過配置系統寄存器CHIPSIG中的SYSCFG_CHIPINT1向ARM發送系統中斷，在ARM和DSP雙方通信的各自中斷處理程序中，都首先通過串口UART2打印接收到的中斷信息，然后延時一段時間，以使ARM和DSP雙核不會同時占用UART2資源，在延時之后各自都會向對方發送中斷。圖5中輸出的信息就是在硬件板燒寫完程序后上電串口UART2輸出的打印信息。由于ARM和DSP雙核不斷地向對方發送中斷，因此不斷地向串口輸出信息，仿真結果中發送字節數為0，接收字節數為158 437，這是接收的雙核通信輸出信息，整個仿真結果可靠，充分證明了OMAPL138雙核系統被成功引導啟動。

    針對傳統的基于AIS和串口實現OMAPL138雙核系統自啟動處理復雜的問題，提出了基于NOF Flash的bootloader二次引導實現OMAPL138雙核自啟動的方案。在該方案中，分析了基于ARM核的bootloader實現流程和處理內容，解決了bootloader中ARM核系統的初始化，并基于ARM核實現了OMAPL138系統的初始化以及ARM和DSP應用程序的復制，最終通過ARM核喚醒了DSP核，并成功跳轉到ARM應用程序中執行，實現了OMAPL138的雙核運行。整個方案實現了bootloader、ARM和DSP應用程序及燒寫所有程序代碼工程都相互獨立運行、互不干擾，針對每個工程項目的cmd文件進行了詳細分析和介紹，對于整個bootloader啟動流程做了詳細的說明，整個過程清晰、可靠。實驗結果表明，該方案可以實現OMAPL138的自舉啟動。
參考文獻
[1] 劉遠峰，陳志華.一種新的基于TMS320C6000 DSP的Flash引導自啟動方法[J].電視技術，2011，21(35)：54-57.
[2] 王潔，蘇東林，姜鐵華.基于TMS320C6000系列DSP的二次Bootl oader研究[J].電子工程師，2005，8(31)：53-55.
[3] 劉濤，倪江生，王丹丹.基于DSP的Flash自啟動設計[J].儀表技術，2009(9)：44-45.
[4] 王鵬，簡秦勤，范俊鋒.基于TMS320C6000 DSP及DSP/BIOS系統的Flash引導自啟動設計[J].電子元器件應用，2012，12(14)：35-39.
[5] 余同正，徐龍祥.基于雙DSP的磁軸承數字控制器容錯設計[J].電子技術應用，2005，31(1)：27-29.
[6] 郭唐仕，尹華杰，陳錦云.基于雙DSP低電壓大電流交換器的模糊PID控制[J].電子技術應用，2003，29(5)：79-81.