摘? 要: TI的大多數DSP芯片。內部都有片內掩模的BootLoader程序,用于將用戶程序通過片外EPROM、串口或I/O口裝載到片內高速RAM中,以保證用戶程序能夠高速運行。介紹了BootLoader程序的多種工作方式" title="工作方式">工作方式,并以雙核" title="雙核">雙核DSP——TMS320VC5421為例詳細闡述了多核" title="多核">多核DSP的16位并行EPROM的BootLoader程序的實現。
關鍵詞: TMS320VC5421? BootLoader? 上電" title="上電">上電自舉
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DSP芯片的BootLoader程序用于實現用戶程序上電自舉" title="自舉">自舉,它有多種工作方式。上電自舉就是將用戶存放在片外的非易失性、慢速的存儲器中的程序裝載到片內易失的、高速的存儲空間中,以保證用戶程序在DSP核內的高速運行。
多核DSP是指由多個獨立的DSP子核集成的DSP芯片,且所有DSP子核共享一套片外總線。由于每個DSP子核內部都有其自身獨立的掩模BootLoader程序,當DSP芯片上電或復位時,所有DSP子核都將自行啟動自身獨立的BootLoader程序,實現用戶程序的上電自舉。所以,多核DSP的BootLoader程序的實現方法與單核DSP的BootLoader程序的實現方法有較大的差異。為此,本文立足于實踐,以雙核DSP—TMS320VC5421的16位并行EPROM的BootLoader程序的工作方式為例,詳細闡述了多核DSP的BootLoader程序的實現方法。
1 BootLoader程序簡介
1.1 BootLoader程序的四種工作方式
一般的DSP都采用常見的BootLoader程序工作方式來實現用戶程序的上電自舉:
????·處理器通信口(主端口)HPI方式——通過DSP芯片與PC機或DSP芯片與其它DSP芯片之間的主機通信端口實現上電自舉;
·8位或16位并行EPROM方式——通過DSP內核的DMA通道實現上電自舉;
·8位或16位并行I/O方式——通過DSP芯片的片外并行I/O接口實現上電自舉;
·8位或16位串行口方式——通過DSP芯片的串行端口實現上電自舉。
在以上四種工作方式中,最常用的是16位并行EPROM方式。即在DSP芯片上電或復位時,通過DMA通道將存儲在核外EPROM中的程序以16位形式存儲到核內的程序空間中。
1.2 16位并行EPROM方式的Boot表
各種方式的BootLoader程序都有其固定格式的Boot表,用來實現用戶程序的上電自舉。16位并行EPROM方式的Boot表如表1所示。表中的第1表項存放BootLoader程序工作方式控制字,用于DSP芯片上電或復位時確認該Boot表是否為16位并行EPROM工作方式的Boot表。該表項內容為10AAH,表示DSP內核認為該Boot表是16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的Boot表;否則DSP內核認為該Boot表不是16位并行EPROM的方式的Boot表;第2表項存放DSP特殊寄存器SWWSR在上電或復位時被賦予的初始化數值;第3表項存放DSP特殊寄存器BSCR在上電或復位時被賦予的初始化數值;第4表項存放用戶程序將要被存放在DSP核內程序空間的頁地址;第5表項存放用戶程序將要被存放到DSP核內程序空間的頁內偏移地址;從第6表項開始依次存放用戶程序第m段代碼的長度N。用戶程序第m段代碼將要被存放到DSP核內程序空間的頁地址,用戶程序第m段代碼將要被存放到DSP核內程序空間的頁內偏移地址,用戶程序第m段代碼的第1個字,第2個字,……,第N個字;Boot表的最后表項存放Boot表結束字0000H,表示Boot表到此結束。因此DSP內核要實現BootLoader程序,在上電復位后首先要申請到片外數據、地址總線的控制權,然后再根據Boot表完成用戶程序上電自舉過程。
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1.3 16位并行EPROM工作方式Boot表的生成
所有BootLoader程序所需的Boot表的數據結構都是通過執行包含-v548參數的鏈接命令和Hex500轉換命令的程序形成的。在鏈接過程中確定用戶程序和數據的存放地址,在Hex500轉換過程中定義BootLoader程序的工作方式和用戶程序執行的入口地址等。
為了生成16位并行EPROM方式的Boot表,首先,在鏈接程序時必須設置-v548選項;然后使用TI公司DSP開發工具自帶的HEX500.EXE文件,根據用戶的COFF格式的代碼生成Boot表中的相應內容。
HEX500.EXE可執行文件一般使用以下幾種參數：
(1) *.out ： 用戶的COFF格式的程序;
(2) -e?? ： 確定用戶程序的入口點;
(3) -a?? ： 以ASCII形式,根據用戶的*.out文件輸出對應的HEX文件;
(4) -boot： 實現用戶程序的裝載;
(5) -bootorg ： 確定生成哪種形式的Boot表;
(6) -memwidth： 確定引導方式的位數;
(7) -O *.hex ： 輸出的HEX文件的名稱。
例如:
hex500 ti.out? /*根據ti.out文件生成Boot表*/
-e 0x4000????? /*用戶程序的入口點為0x4000*/
-a???????????? /*以ASCII形式輸出HEX文件*/
-boot????????? /*裝載用戶的程序ti.out*/
-bootorg PARALLEL
???????????????????/*生成并行EPROM方式的Boot表*/
-memwidth 16?? /*生成16位的Boot表*/
-o ti.hex??????/*生成的HEX文件名為ti.hex*/
執行完該HEX500.EXE命令后,系統會創建一個文件名為ti.hex的ASCII文件,然后用戶根據ti.hex文件內容對EPROM進行編程就能產生上述的16位并行EPROM工作方式的Boot表。
2 多核DSP的BootLoader程序的實現
目前TI公司已經不再局限于生產單核DSP。為了提高用戶程序運行的效率,TI公司又推出了2核、4核等多核DSP。在實現多核DSP上電自舉時,每一個子核都需要申請片外總線的控制權。對于單核DSP而言,只有一個DSP內核,對應一個BootLoader程序,DSP核可以永遠擁有片外總線的控制權。但對于多核DSP而言,由于只有一套片外總線,所以片外總線的控制權不允許也不可能永遠被其中的某一個DSP子核所擁有。因此,多核DSP需要片外總線仲裁機制,以避免片外總線沖突。
下面以雙核DSP—TMS320VC5421的16位并行EPROM方式的BootLoader程序實現過程為例,詳細闡述多核DSP的BootLoader程序的實現。
2.1 TMS320VC5421結構簡介
TMS320VC5421 16位定點雙核DSP,它集中了早期TMS320C54X系列DSP的優點,并提供了許多新的功能。其內部結構與TMS320C54X系列的其它款式DSP有很大的不同,其簡單結構框圖如圖1所示。
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由于每個DSP子核的工作頻率是100MHz,所以它的工作速率可達到200MIPS,且它的每一個DSP子核都具備單核DSP(如TMS320VC5402)的所有特性。
2.2 TMS320VC5421的16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的選擇
TMS320VC5421的兩個DSP子核在DSP芯片上電或復位時,能否啟動各自的BootLoader程序以完成上電自舉功能,是由每個子核自身的XIO和GPIO0/ROMEN兩個管腳決定的。在DSP芯片上電或復位時,每個DSP子核自動檢測自身的XIO和GPIO0/ROMEN兩個管腳,如果對應的XIO和GPIO0/ROMEN兩個管腳都為高電平,則啟動自身的BootLoader程序完成用戶程序的上電自舉。
每個DSP子核啟動BootLoader程序后,采用哪一種BootLoader程序的工作方式是由各自的GPIO1管腳的狀態和各自以DMA方式從核外數據空間0000H地址單元讀入的數據決定的:檢測GPIO1管腳,如果GPIO1管腳為高電平,則采用串行口EEPROM的BootLoader工作方式,否則采用并行EPROM的BootLoader工作方式。若DSP子核的DMA通道讀入核外數據空間0000H單元中的數據為10AAH,則采用16位并行EPROM的BootLoader工作方式;若讀入的數據為xx08H或xxAAH,則采用8位并行EPROM的BootLoader工作方式。否則將重新判斷GPIO1管腳的電平,進入死循環。
2.3 TMS320VC5421的BootLoader程序片外總線沖突的解決
DSP核的BootLoader程序總是在DSP核上電或復位時啟動,且一啟動BootLoader程序,對應的DSP核就要申請核外的總線控制權。因此為了避免多核DSP的各個DSP子核啟動BootLoader程序時引起的片外總線沖突,可通過控制每個DSP子核的復位過程,使每個DSP子核在不同的時間內啟動自身的BootLoader程序來解決片外總線沖突的問題。
為了實現兩個DSP子核復位過程的分離,應采用如圖2所示的DSP子核復位過程控制方法。
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由于TMS320VC5421中A核擁有倍頻的鎖相環電路,所以首先復位A核,啟動A核的BootLoader程序,實現A核的用戶程序上電自舉。然后再由A核的用戶程序控制B核的復位過程,啟動B核的BootLoader程序,實現B核的用戶程序上電自舉。
在A核的BootLoader程序執行完后,A核就會執行自身的用戶程序代碼。A核的用戶程序代碼釋放片外總線的控制權,并且控制B核的復位管腳,促使B核啟動自身的BootLoader程序。如果此時A核中的用戶代碼又申請片外總線控制權或正在使用片外總線,就會造成片外總線沖突。解決此沖突的辦法有如下兩個:
·粗略估計B核的BootLoader程序執行時間,在A核的有效程序代碼前加一個延遲程序。
·在A核的有效程序代碼前加入一個死循環程序,當B核BootLoader程序執行完后,B核通知A核,A核就跳出這個死循環程序,開始執行自己的有效代碼。
2.4 TMS320VC5421的16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的編程實現
首先設計一個簡單的電路圖,如圖3所示。在DSP的A_XF和B_XF兩個管腳分別連接一個發光二極管,A核以2Hz的頻率點亮發光二極管,B核以10Hz的頻率點亮發光二極管。將128K的FLASH(SST39VF400A)分成兩頁,每頁為64K。FLASH的頁的選擇由TMS320VC5421的A_BDXO管腳控制。當A_BDX0為低電平,即FLASH的A16地址線為低電平時,選中FLASH的第一頁,由FLASH的A0～A15地址線選擇頁內地址,用于存放A核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。當A_BDX0為高電平,即FLASH的A16地址線為高電平時,選中FLASH的第二頁,由FLASH的A0～A15地址線選擇頁內地址,用于存放B核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。
CPU_A和CPU_B的程序流程圖分別如圖4和圖5所示。
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(1)片外總線沖突的解決
估算B核執行BootLoader程序所需的時間后,在A核的用戶有效程序之前,加一段延遲程序。
延遲的時間計算如下:
TMS320VC5421DSP的DMA通道從片外數據空間讀取一個字到片內數據空間,需要7個指令周期時間。
統計用戶程序大小,將對應Boot表中的所有段的大小相加：N1+N2+...=N。
延遲的時間為N×7=7N個指令周期。
由上面所述的方法可知,只需在開始執行A核的有效程序之前加一段延遲7N個指令周期的代碼即可。
(2)生成Boot表
對CPU_A來說,以A核程序流程圖建立一個項目Ati.msk。產生Ati.out文件后,進入該目錄的DOS環境,鍵入:
hex500 Ati.out-a-e 0x4000h-boot-bootorg PARALLEL-memwidth 16-romwidth 16-o Ati.hex
生成A核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。
對CPU_B來說,同樣以B核程序流程圖建立一個項目Bti.msk。產生Bti.out文件后,進入該目錄的DOS環境,鍵入:
hex500 Bti.out-a -e 0x4000h-boot-bootorg PARALLEL-memwidth 16-romwidth 16-o Bti.hex
生成B核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。
在實現雙核DSP的上電自舉后,A核和B核的用戶程序將會被存放在核內程序空間的不同頁面上。如從DMA的角度觀看:A核的用戶程序將被存放在A核的程序空間的第0頁上;B核的用戶程序將被存放在B核的程序空間的第2頁上。因此A核的Boot表不需要修改,而B核的Boot表中的所有存放頁地址的表項中的內容要更改為2。
(3)FLASH編程實現
根據FLASH芯片的控制時序,編寫一個簡單的DSP程序,用于將A核的Boot表寫入FLASH的低64K,將B核的Boot表寫入FLASH的高64K。
3 上電試驗結果
將電路上電后,A核控制的發光二極管開始閃爍,B核控制的發光二極管也開始閃爍,且A核發光二極管閃爍頻率要低于B核發光二極管閃爍頻率。由此現象可得出：A核與B核的BootLoader實現成功,未產生片外總線沖突;A核以2Hz的頻率點亮發光二極管,B核以10Hz的頻率點亮發光二極管。
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參考文獻
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2 TMS320VC5421 Bootloader Technical Reference. TI,2000
3 TMS320VC5421 Data Manu.TI,2000
4 汪安民.TMS320VC54XX DSP實用技術.北京:清華大學出版社,2002
5 劉易成.TMS320C54X DSP應用程序設計與開發.北京:北京航空航天大學出版社, 2002