摘  要: 在由TI" title="TI">TI系列DSP" title="DSP">DSP組成的多機系統中,往往用HPI" title="HPI">HPI進行多機數據交換。由于HPI的功能特性,產生了一種新的應用——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,很適合多處理器系統。 

    關鍵詞: 自舉  DSP  Bootloader

    當前,數字信號處理器(DSP)芯片以其強大的運算能力在通信、電子、圖像處理等各個領域得到了廣泛的應用。使用DSP的系統可以按處理器使用的數目分為單處理器系統和多處理器系統。單DSP的系統盡管結構簡單,但系統的功能將不可避免地有所限制。由于DSP的控制功能不是非常強大,在應用中往往不得不把DSP作為目標系統專門負責復雜的運算,而另外使用一個主機(PC機或是單片機)對整個系統的運行實行控制。所以,在使用DSP的多處理器系統中,主機(單片機、PC機、另一個DSP芯片)與目標系統 DSP的數據交換就成為應用系統設計中必須考慮的重要問題。 

1 主機接口的傳統解決方案

    解決主機與目標系統的數據交換是一個非常復雜的問題。傳統的方式是采用 DMA(Direct Memory Access)或全局存儲器(Global Memory)完成多機系統中的數據共享。在DMA方式下,讀寫共享內存必須要求其它處理器處于停止工作的狀態,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用系統中,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完成對全局內存的管理工作。GReg指定部分DSP內存為全局內存。比如,TMS320C5x器件能夠分配全局數據內存空間,并通過BR(Bus Request)和 hcs控制信號實現與該內存的通信。當需要尋址全局內存空間時,BR和hcs信號變低電平。于是外部邏輯進行全局內存控制權的裁決,裁決的結果將通過選通信號通知某個TMS320C5x,從而使該DSP現在就擁有對全局內存的控制權。顯然,使用全局內存的方式來完成多DSP的共享數據通信是非常方便的。但是,應用系統往往由單片機作為主機,DSP作為目標系統構成。由于當前使用最多的單片機往往是8位機,使用16位機的共享內存完成主機與DSP的數據交換不是處理太復雜就是資源利用不充分。為了解決DSP與低檔 8位主機的數據交換問題,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的功能集成在片內,簡化了與主機的連接,同時主機可以達到很高的訪問速度。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。 

2 TMS320VC5402" title="TMS320VC5402">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 增強的多總線結構,三條獨立的16bit數據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;指數編碼器在一個周期里計算一個40bit累加器的指數值;兩個地址發生器中有八個輔助寄存器和兩個輔助寄存器運算單元(ARAUs);數據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  支持單指令循環和塊循環,存儲塊移動指令提供了高效的程序和數據存儲器管理,支持32bit長字操作數指令,支持兩個或三個操作數讀指令,支持并行存儲和并行加載的算術指令、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發生器和可編程存儲單元轉換,連接內部振蕩器或外部時鐘源的鎖相環(PLL)時鐘發生器,兩個多通道緩沖串口(McBSPs),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(內核),用節電模式的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行周期為10ns(100MIPS)。 

    仿真  符合IEEE1149.1邊界掃描邏輯標準的片內掃描仿真邏輯接口。 

    TMS320C54x系列DSP芯片中的HPI,能夠順序傳送或隨機傳送數據,產生HOST中斷和C54x中斷,接口靈活,并可通過DMA總線訪問片內RAM。當TMS320 C54X與主機(或主設備)交換信息時,HPI是主機的一個外圍設備。HPI有8根數據線HD(0～7),在TMS320C54x與HOST傳送數據時,HPI能自動將外部接口傳來的連續數據組合成16位數后傳送給DSP。如果HOST和DSP競爭同一個地址,則HOST優先,DSP等待一個HPI周期。 

    TMS320C54x系列發展到TMS320VC5402的時候,其HPI已經得到了增強,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。 

    HPI-8的使用是通過對HPIA、HPIC和HPID三個寄存器賦值實現的。HPIA是地址寄存器,HPIC是控制寄存器,而HPID是數據寄存器。簡單地說,HOST通過外部引腳HCNTL0和HCNTL1選中不同的寄存器,則當前發送的8位數據就送到該寄存器。在使用上,由于HPIC是16位寄存器,而HPI-8是8位的數據寬度,所以在HOST向HPIC寫數據時,需要發送兩個一樣的8位數據。而地址寄存器HPIA選擇后,直接向它寫數據就可以了,但是要注意MSB和LSB的順序。另外,HPIA具有自動增長的功能,在每寫入一個數據前和每寫入一個數據后,HPIA會自動加1。這樣,如果使能了該功能,只需設定一次HPIA即可實現連續數據塊的寫入和讀出。數據寄存器HPID,嚴格說應該叫做數據緩沖寄存器,因為最終數據是要寫到片內RAM的。只是在實現上,數據首先從HOST發到HPID中,然后根據HPIA指定的地址,HPID中的數據再寫到片內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是作為多機數據交換而出現的,但是由于其功能特性,又產生了一種新的應用——使用HPI對DSP進行自舉。實際上,TMS320VC5x系列DSP在片內固化的Bootloader程序中對HPI自舉提供了全面的支持。筆者在VOIP系統的開發中,實現了使用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,很適合多處理器系統。對于計算機插卡式的DSP系統,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。 

    在實現上,需要解決以下幾個問題。 

3.1 DSP片內固化的Bootloader程序對HPI自舉的支持

    自舉從本質上說就是在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0x7f地址的值被置為0,Bootloader不斷檢驗0x7f地址處是否出現了可用的程序指針的跳轉地址。當其發現該地址內的值不為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RAM空間,對于TMS320VC5402來說,其片內RAM地址空間從0000H到3fffH,一共4K。這已經大大超過了標準HPI的2K的大小,但是對于大多數DSP應用程序來說,片內RAM除了放置程序代碼以外,很可能還需要留出一部分供數據空間使用。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突破4K的片內RAM空間限制。由于DSP程序本身是能夠訪問到所有DSP程序、數據空間的,所以HOST可以首先放置一個體積不大于4K的程序到DSP內,再由該程序和HOST協作完成超出片內RAM的代碼的放置工作。 

    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

    編程序的時侯使用符號作為地址,經編譯、鏈接后,符號所表示的相對地址已經轉化為絕對地址。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應用的HPI自舉方式中,HOST和Kernel需先后完成Kernel代碼和DSP應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程序代碼和相應的地址信息。這些數據在由自舉程序寫到DSP后,被拼接成正確的可執行代碼、已初始化數據等,并被正確定位。一般來說,HOST CPU的外存儲器中的DSP自舉數據是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內預留的緩沖區的大小容易計算。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表示該塊中有效數據的長度,最長為32個BYTE。這種有效數據可能是程序代碼,也可能是擴展地址信息;BYTE4-7表示該塊內代碼的起始地址;BYTE8-9是類型,00表示程序代碼,01表示結束,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。校驗位的值是該塊中先前數據值和的補碼。 

    根據選定的HEX格式,CPU首先按照該格式的定義對Kernel的HEX數據進行解釋,獲取各種信息后,CPU將其在TMS320VC5402片內RAM中組成可執行DSP程序。然后在CPU和kernel的共同作用下,對DSP應用程序的HEX數據進行解釋,最后完成其在DSP中的拼接、定位并啟動DSP應用程序——跳轉到DSP應用程序的起始地址。 

4 系統軟硬件設計與實現 

4.1 系統框圖

    在筆者開發的VOIP系統中,使用了HPI對DSP (TMS320VC5402)進行自舉的功能。其中相應部分的框圖如圖3所示。 

    對于PC機插卡的系統,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程序設計

    按照前面所說,kernel程序的作用是用于突破TMS320VC5402 4K片內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程序代碼和相應地址信息,在DSP所能夠訪問到的存儲器空間(片內和片外)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 

... 

    .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

    按照前述的系統構成,首先將PC機上調試好的Kernel程序和DSP應用程序(一般為COFF格式)轉換成HEX文件,并通過串口將這些文件存放到CPU的Flash中,在存放過程中應將HEX文件原樣保存,以保留其中所有的信息。在系統啟動后,CPU從Flash中獲取Kernel的HEX數據,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應用程序的HEX數據,通過HPI將其分塊放入TMS320VC5402,并和已經開始運行的Kernel程序最終完成DSP引用程序的正確定位工作。最后啟動DSP應用程序。 

    在實踐中發現,雖然HPI的設計初衷是為了和低速8位機接口進行數據交換,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用方式,無疑給DSP系統開發者帶來了極大的方便。 

參考文獻

1 TMS320C54x Assembly Language Tools User’s Guide. Texas Instruments Incorporated,(SPRU102)Copyright 2000 

2 TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader. Texas Instruments Incorporated,(SPRA618)Copyright 2000 

3 TMS320 C54x DSP Reference Set  Volume 5:Enhanced Peripherals. Texas Instruments Incorporated,(SPRu302) Copyright 2000 

4 戴明楨. 320C54x 數字信號處理器結構、原理及應用.上海:上海交通大學,1999.7