摘? 要: 高性能DSP處理器與FLASH存儲器的接口設計" title="的接口設計">的接口設計是開發基于TMS320C6000系列DSP的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式實時系統的一項重要技術。以基于三個TMS320C6201/6701 DSP芯片開發成功的嵌入式并行圖像處理實時系統為例,介紹了高性能DSP處理器與FLASH存儲器的接口設計技術以及引導程序的生成。
關鍵詞: TMS320C6201/6701? FLASH? 接口設計? 引導
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DSP是針對實時數字信號處理而設計的數字信號處理器,由于它具有計算速度快、體積小、功耗低的突出優點,非常適合應用于嵌入式實時系統。自世界上第一片通用DSP芯片TMS320C10于1982年在美國TI公司產生以來,DSP處理器便顯示出強盛的生命力。短短二十多年,世界上許多公司便開發出各種規格的DSP處理器,并使它們在通信、自動控制、雷達、氣象、導航、機器人等許多嵌入式實時領域得到了廣泛應用。20世紀90年代后期美國TI公司推出的面向通訊領域的新一代32位的TMS320C6000系列DSP芯片(簡稱C6000)是目前世界上最先進的DSP處理器,其中C62XX和C64XX為通用32位定點系列DSP處理器,C67XX為通用32位浮點系列DSP處理器,其指令速度分別高達960～4800MIPS和600MFLOPS～1GFLOPS,可與早期的巨型計算機速度相媲美,且單芯片功耗小于1.5W、采用BGA封裝(小型球柵陣列)、體積也很小(最大35mm×35mm×3.5mm)。因此,這些DSP處理器將在許多科技領域發揮重要作用。FLASH存儲器是新型的可電擦除的非易失性只讀存儲器,屬于EEPROM器件,與其它的ROM器件相比,其存儲容量大、體積小、功耗低,特別是其具有在系統可編程擦寫而不需要編程器擦寫的特點,使它迅速成為存儲程序代碼和重要數據的非易失性存儲器,成為嵌入式系統必不可少的重要器件。DSP與FLASH存儲器的接口設計是嵌入式系統設計的一項重要技術,本文以基于三個C6201/C6701 DSP芯片開發成功的嵌入式并行圖像處理實時系統為例,介紹這一設計技術。
1 C6201/C6701新一代DSP處理器[1]
1.1 C6201/C6701的特點及外部存儲器接口EMIF
C6201為通用32位定點DSP處理器,C6701為通用32位浮點DSP處理器,它們采用并行度很高的處理器結構,從而具有許多突出的特點:
·DSP核采用改進的超長指令字(VLIW)體系結構和多流水線技術,具有8個可并行執行的功能單元,其中6個為ALU,兩個為乘法器,并分成相同功能的兩組,在沒有指令相關情況下,最高可同時執行8條并行指令;
·具有32個32位通用寄存器,并分成兩組,每組16個,大大加快了計算速度;
·片上" title="片上">片上集成了大容量的高速程序存儲器" title="程序存儲器">程序存儲器和數據存儲器,最高可以200Mbit/s的速度訪問,并采用改進的多總線多存儲體的哈佛結構。程序存儲器為64K字節、256位寬,每個指令周期可讀取8個指令字,還可靈活設置為高速CACHE使用;數據存儲器采用雙存儲塊,每個存儲塊又采用多個存儲體,可靈活支持8/16/32位數據讀寫。C6701還可支持64位訪問,每個時鐘可訪問雙32位數據,C6701還可訪問雙64位IEEE雙精度浮點數據;
·片上集成了32位外部存儲器接口EMIF,并且分成4個時序可編程的空間(CE0、CE1、CE2、CE3),可直接支持各種規格SDRAM(除CE1空間外)、SBSRAM、SRAM、ROM、FLASH、FIFO存儲器。同時,CE1空間還可直接支持8/16位寬的異步存儲器讀訪問,EMIF接口信號如圖1所示。
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·片上集成了4個主DMA控制器和一個輔助DMA控制器;
·片上集成了兩個32位多功能定時器;
·片上集成了兩個多通道通用串行通訊口;
·片上集成了16位宿主機HPI端口,與EMIF端口一起,可支持構成并行多處理器系統;
·片上集成的鎖相循環PLL電路,具有4倍頻外部時鐘的功能,從而在外部可采用較低的時鐘電路,而在片內可高頻(120MHz、150MHz、167MHz、200MHz)地進行計算;
·片上集成了符合IEEE標準的JTAG在系統仿真接口,大大方便了硬件調試;
·具有一個復位中斷,一個非屏蔽中斷,4個邊沿觸發的可編程的可屏蔽中斷;
·雙電源供電,內核電源為1.8V,外圍設備電源為3.3V,功耗低于1.5W;
·采用352BGA小型球柵陣列封裝,體積很小;
·具有豐富的適合數字運算處理的指令集,并且所有的指令為條件轉移指令。
C6201/C6701高度的并行結構特點、高速的時鐘頻率使其具有高達1600MIPS和400MMAC的運算能力,比通常使用的DSP計算速度快十幾倍,甚至幾十倍,再加上其具有并行執行、多功能、多任務的能力和豐富的指令集以及體積小、功耗低、易于使用的特點,使它非常適合在嵌入式實時系統中應用;同時TI公司開發了高效的C編譯器和多功能的集成開發系統CODE COMPOSER STUDIO(簡稱CCS)以及高性能的仿真器,大大簡化程序代碼的編寫與調試。
1.2 C6201/C6701的引導工作方式
在加電后,C6201/C6701可采用直接從零地址(只能為外部存儲器)開始執行程序的不引導方式工作;也可采用輔助DMA先自動從宿主機HPI端口或外部CE1空間(8/16/32位ROM)加載64K字節程序至零地址(片上存儲器或外部存儲器),然后再從零地址開始執行程序的引導方式工作。C6201/C6701的這些工作方式" title="工作方式">工作方式由上電復位時5個引導方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號電平決定,這些電平信號還決定地址映射方式是采用某 種類型、速度的外部存儲器為零地址的MAP0方式,還是采用片上程序存儲器為零地址的MAP1方式。這種結構特點大大增加了系統設計的靈活性。在引導工作方式中,當零地址為片上程序存儲器時,程序直接從高速256位寬的片上程序存儲器并行執行,能充分發揮DSP的高速性能;而在其它工作方式中,程序是從外部慢速32位寬的存儲器開始串行執行。因此,基于C6000的嵌入式系統一般采用引導至片上程序存儲器執行的工作方式,如表1所示。
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2 FLASH存儲器MBM29LV800BA[2]
2.1 MBM29LV800BA介紹
MBM29LV800BA是FUJITSU公司生產的1M×8/512K×16位的FLASH存儲器,其管腳信號如圖2所示。/BYTE為×8或×16工作方式配置管腳(/BYTE接低時為×8方式,地址線為[A-1,A0,...,A18]共20根,數據線為DQ[0：7],數據線高8位不用;/BYTE接高時為×16方式,地址線為A[0：18]共19根,A-1不用,數據線為DQ[0：15]);RY/*BY為表示FLASH就緒或忙的管腳(它是集電極開路引腳,多個RY/*BY管腳可通過上拉電阻直接“線與”連接)。
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MBM29LV800BA具有許多特點,主要如下:
·單電源3.0V讀、編程寫入、擦除;
·與JEDEC標準的命令集和引腳分布兼容;
·增加了快速編程寫入命令,寫入僅需兩個總線周期;
·具有至少100 000次的編程寫入/擦寫壽命;
·靈活的扇區結構支持整片內容擦除、任一扇區內容擦除、相連續的多扇區內容并行擦除;
·具有嵌入式編程寫入算法,可自動寫入和驗證寫入地址的數據;
·具有嵌入式擦除算法,可自動預編程和擦除整個芯片或任一扇區的內容;
·具有數據查尋位和切換位,可以通過軟件查尋方法檢測編程寫入/擦除操作的狀態;
·具有RY/*BY管腳,可以通過硬件方法檢測編程寫入/擦除操作的狀態;
·自動休眠功能,當地址保持穩定時,自動轉入低功耗模式;
·具有低電壓禁止寫入功能;
·具有擦除暫停/擦除恢復功能。
2.2 MBM29LV800BA的主要命令及嵌入式算法
MBM29LV800BA的編程寫入及擦除命令如表2所示。其中,X為十六進制數字的任意值,RA為被讀數據的FLASH地址,RD為從FLASH地址RA讀出的數據,PA為寫編程命令字的FLASH地址,PD為編程命令字,SA為被擦除內容的扇區地址。
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MBM29LV800BA具有嵌入式編程寫入和擦除算法機構,當向FLASH寫入數據內容或擦除其扇區內容時,需要根據相應的算法編程才能完成。其編程擦除算法流程為:首先寫編程擦除命令序列;然后運行數據測試算法以確定擦除操作完成;其編程寫入算法流程為:程序開始,首先驗證寫入扇區是否為空,不空則運行擦除算法;然后運行編程寫入算法,寫編程寫入命令序列,再運行數據測試算法或查詢RY/*BY管腳信號以確定該次操作完成。地址增1繼續上述過程,否則結束操作;數據測試算法主要是測試DQ7和DQ5位的數據變化,以確定該次操作是進行中、完成、還是失敗。
3 C6201/6701與FLASH的接口設計[3]
基于C6000系列DSP處理器的嵌入式系統往往采用地址映射方式為MAP1的ROM引導方式。這種方式是把開發成功的嵌入式可執行程序燒寫在CE1空間(從0X01400000地址開始的ROM存儲器)中,并根據引導方式設置相應的引導模式管腳BOOTMODE[4：0]。這樣,當嵌入式系統上電工作時,從復位信號的上升沿開始,輔助DMA把執行程序從引導ROM中移至片上程序存儲器中,然后在片上程序存儲器開始執行程序。這種方式可充分發揮C6000系列DSP的并行結構特點,具有最好的執行性能。當引導ROM器件采用FLASH存儲器MBM29LV800BA時,C6201/C6701與FLASH存儲器以8位方式連接的接口設計如圖3所示。FLASH的地址線[A-1,A0,...,A18]與DSP的EMIF接口地址線[EA2,EA3,...,EA21]直接相連;FLASH的低8位數據線DQ[0：7]與EMIF接口數據線[ED0,...,ED7]直接相連,高8位數據線DQ[8：15]不連接;讀寫使能信號可直接相連;EMIF接口的片選信號/CE1與字節使能信號/BE0“相與”后與FLASH的片選信號相連;FLASH的方式信號/BYTE接地;由于EMIF接口的ARDY信號為低時,DSP自動插入等待時鐘周期,因此,FLASH的就緒或忙RY/*BY信號經上拉電阻直接與ARDY信號相連,這種設計使FLASH的編程寫操作可不運行數據測試算法,大大簡化了程序設計;C6201/C6701與FLASH以16位或32位方式相連的接口設計與8位方式類似。
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4 引導程序開發實現過程[4]
C6000系列DSP的引導程序開發實現不能一步完成,它需要一系列的實現步驟:首先,在硬件設計的同時,可在C6000系列DSP的集成開發環境CCS中,用C語言和匯編語言編寫應用程序USAGE.C,通過編譯、連接查找、修正原程序中的錯誤,生成COFF格式的可執行文件USAGE.OUT;其次,當硬件設計成功時,利用仿真器加載軟件程序USAGE.OUT到硬件系統中調試驗證軟件程序,直至程序無錯誤;然后,編寫、加載鏈接指令文件Link.cmd,重新編譯、鏈接軟件程序生成BOOT.OUT文件,再利用TI公司提供的HEX轉換工具包中的轉換程序和FLASH存儲器寬度,把該BOOT.OUT文件轉換為相應的BOOT.HEX文件,由于轉換工具包中沒有提供相應的轉換程序把BOOT.OUT文件直接轉換為FLASH認可的二進制文件,因此還需要編寫轉換程序把BOOT.HEX文件再轉換為BOOT.BIN二進制文件;最后,在CCS中編寫FLASH寫入程序,編譯、鏈接生成可執行文件,并通過JTAG端口加載運行,把得到的引導程序BOOT.BIN作為數據文件寫入引導FLASH存儲器中。需注意的是程序寫入FLASH存儲器時,需要把CE1空間寄存器設置為32位寬度存儲器接口方式。
Link.cmd
-c
-l rts6201.lib?? ;或rts6701.lib
MEMORY
{
???? ?? VECS?? ：???????o = 00000000h l = 00000200h
?????? PMEM?? ：???????o = 00000200h l = 0000FE00h
?????? DMEM?? ：? ???? o = 80000000h l = 00010000h
?????? CE1VECS： o = 01400000h l = 00000200h
???? ?? CE1PMEM：???????o = 01400200h l = 0000FE00h
?????? CE1init： ????? o = 01410000h l = 00010000h
}
SECTIONS
{
???? ?? .vector： load=CE1VECS, run=VECS
?????? .text? ： load=CE1PMEM, run=PMEM
?????? .cinit ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .const ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .data? ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .cio???? > DMEM
?????? .far???? > DMEM
???? ?? .stack?? > DMEM
?????? .bss???? > DMEM
?????? .sysmem > DMEM
}
設置引導方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號電平為01101。當系統再次加電時,即可直接執行用戶開發的嵌入式應用程序。
由于C6000系列DSP處理器具有驚人的運算速度,并且具有體積小、功耗低等特點,必將迅速得到廣泛的應用,盡快掌握其開發應用技術,可使其發揮重大作用;FLASH存儲器具有容量大、體積小、功耗低、在系統可編程的特點,大大方便了DSP處理器的開發及應用。C6000系列DSP與FLASH的接口設計技術已成功地在作者開發的基于三個C6201/6701處理器的嵌入式實時圖像匹配計算機中得到應用。
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參考文獻
1 TMS320C6000 Peripherals Reference Guide. Texas Instruments,1999
2 Fujitsu Semiconductor Databook. Fujitsu Limited, 2002
3 TMS320C6000 EMIF to External FLASH Memory. Texas?Instruments,1999
4 TMS320C6000 Tools： Vector Table and Boot ROM Creation. Texas Instruments, 2002