摘  要: TI的大多数DSP芯片。内部都有片内掩模的BootLoader程序,用于将用户程序通过片外EPROM、串口或I/O口装载到片内高速RAM中,以保证用户程序能够高速运行。介绍了BootLoader程序的多种工作方式" title="工作方式">工作方式,并以双核" title="双核">双核DSP——TMS320VC5421为例详细阐述了多核" title="多核">多核DSP的16位并行EPROM的BootLoader程序的实现。

　　关键词: TMS320VC5421  BootLoader  上电" title="上电">上电自举

　　DSP芯片的BootLoader程序用于实现用户程序上电自举" title="自举">自举,它有多种工作方式。上电自举就是将用户存放在片外的非易失性、慢速的存储器中的程序装载到片内易失的、高速的存储空间中,以保证用户程序在DSP核内的高速运行。

　　多核DSP是指由多个独立的DSP子核集成的DSP芯片,且所有DSP子核共享一套片外总线。由于每个DSP子核内部都有其自身独立的掩模BootLoader程序,当DSP芯片上电或复位时,所有DSP子核都将自行启动自身独立的BootLoader程序,实现用户程序的上电自举。所以,多核DSP的BootLoader程序的实现方法与单核DSP的BootLoader程序的实现方法有较大的差异。为此,本文立足于实践,以双核DSP—TMS320VC5421的16位并行EPROM的BootLoader程序的工作方式为例,详细阐述了多核DSP的BootLoader程序的实现方法。

1 BootLoader程序简介

1.1 BootLoader程序的四种工作方式

　　一般的DSP都采用常见的BootLoader程序工作方式来实现用户程序的上电自举:

    ·处理器通信口(主端口)HPI方式——通过DSP芯片与PC机或DSP芯片与其它DSP芯片之间的主机通信端口实现上电自举;

　　·8位或16位并行EPROM方式——通过DSP内核的DMA通道实现上电自举;

　　·8位或16位并行I/O方式——通过DSP芯片的片外并行I/O接口实现上电自举;

　　·8位或16位串行口方式——通过DSP芯片的串行端口实现上电自举。

　　在以上四种工作方式中,最常用的是16位并行EPROM方式。即在DSP芯片上电或复位时,通过DMA通道将存储在核外EPROM中的程序以16位形式存储到核内的程序空间中。

1.2 16位并行EPROM方式的Boot表

　　各种方式的BootLoader程序都有其固定格式的Boot表,用来实现用户程序的上电自举。16位并行EPROM方式的Boot表如表1所示。表中的第1表项存放BootLoader程序工作方式控制字,用于DSP芯片上电或复位时确认该Boot表是否为16位并行EPROM工作方式的Boot表。该表项内容为10AAH,表示DSP内核认为该Boot表是16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的Boot表;否则DSP内核认为该Boot表不是16位并行EPROM的方式的Boot表;第2表项存放DSP特殊寄存器SWWSR在上电或复位时被赋予的初始化数值;第3表项存放DSP特殊寄存器BSCR在上电或复位时被赋予的初始化数值;第4表项存放用户程序将要被存放在DSP核内程序空间的页地址;第5表项存放用户程序将要被存放到DSP核内程序空间的页内偏移地址;从第6表项开始依次存放用户程序第m段代码的长度N。用户程序第m段代码将要被存放到DSP核内程序空间的页地址,用户程序第m段代码将要被存放到DSP核内程序空间的页内偏移地址,用户程序第m段代码的第1个字,第2个字,……,第N个字;Boot表的最后表项存放Boot表结束字0000H,表示Boot表到此结束。因此DSP内核要实现BootLoader程序,在上电复位后首先要申请到片外数据、地址总线的控制权,然后再根据Boot表完成用户程序上电自举过程。

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表的数据结构都是通过执行包含-v548参数的链接命令和Hex500转换命令的程序形成的。在链接过程中确定用户程序和数据的存放地址,在Hex500转换过程中定义BootLoader程序的工作方式和用户程序执行的入口地址等。

　　为了生成16位并行EPROM方式的Boot表,首先,在链接程序时必须设置-v548选项;然后使用TI公司DSP开发工具自带的HEX500.EXE文件,根据用户的COFF格式的代码生成Boot表中的相应内容。

　　HEX500.EXE可执行文件一般使用以下几种参数：

　　(1) *.out ： 用户的COFF格式的程序;

　　(2) -e   ： 确定用户程序的入口点;

　　(3) -a   ： 以ASCII形式,根据用户的*.out文件输出对应的HEX文件;

　　(4) -boot： 实现用户程序的装载;

　　(5) -bootorg ： 确定生成哪种形式的Boot表;

　　(6) -memwidth： 确定引导方式的位数;

　　(7) -O *.hex ： 输出的HEX文件的名称。

　　例如:

　　hex500 ti.out  /*根据ti.out文件生成Boot表*/

　　-e 0x4000      /*用户程序的入口点为0x4000*/

　　-a             /*以ASCII形式输出HEX文件*/

　　-boot          /*装载用户的程序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文件名为ti.hex*/

　　执行完该HEX500.EXE命令后,系统会创建一个文件名为ti.hex的ASCII文件,然后用户根据ti.hex文件内容对EPROM进行编程就能产生上述的16位并行EPROM工作方式的Boot表。

2 多核DSP的BootLoader程序的实现

　　目前TI公司已经不再局限于生产单核DSP。为了提高用户程序运行的效率,TI公司又推出了2核、4核等多核DSP。在实现多核DSP上电自举时,每一个子核都需要申请片外总线的控制权。对于单核DSP而言,只有一个DSP内核,对应一个BootLoader程序,DSP核可以永远拥有片外总线的控制权。但对于多核DSP而言,由于只有一套片外总线,所以片外总线的控制权不允许也不可能永远被其中的某一个DSP子核所拥有。因此,多核DSP需要片外总线仲裁机制,以避免片外总线冲突。

　　下面以双核DSP—TMS320VC5421的16位并行EPROM方式的BootLoader程序实现过程为例,详细阐述多核DSP的BootLoader程序的实现。

2.1 TMS320VC5421结构简介

　　TMS320VC5421 16位定点双核DSP,它集中了早期TMS320C54X系列DSP的优点,并提供了许多新的功能。其内部结构与TMS320C54X系列的其它款式DSP有很大的不同,其简单结构框图如图1所示。

　　由于每个DSP子核的工作频率是100MHz,所以它的工作速率可达到200MIPS,且它的每一个DSP子核都具备单核DSP(如TMS320VC5402)的所有特性。

2.2 TMS320VC5421的16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的选择

　　TMS320VC5421的两个DSP子核在DSP芯片上电或复位时,能否启动各自的BootLoader程序以完成上电自举功能,是由每个子核自身的XIO和GPIO0/ROMEN两个管脚决定的。在DSP芯片上电或复位时,每个DSP子核自动检测自身的XIO和GPIO0/ROMEN两个管脚,如果对应的XIO和GPIO0/ROMEN两个管脚都为高电平,则启动自身的BootLoader程序完成用户程序的上电自举。

　　每个DSP子核启动BootLoader程序后,采用哪一种BootLoader程序的工作方式是由各自的GPIO1管脚的状态和各自以DMA方式从核外数据空间0000H地址单元读入的数据决定的:检测GPIO1管脚,如果GPIO1管脚为高电平,则采用串行口EEPROM的BootLoader工作方式,否则采用并行EPROM的BootLoader工作方式。若DSP子核的DMA通道读入核外数据空间0000H单元中的数据为10AAH,则采用16位并行EPROM的BootLoader工作方式;若读入的数据为xx08H或xxAAH,则采用8位并行EPROM的BootLoader工作方式。否则将重新判断GPIO1管脚的电平,进入死循环。

2.3 TMS320VC5421的BootLoader程序片外总线冲突的解决

　　DSP核的BootLoader程序总是在DSP核上电或复位时启动,且一启动BootLoader程序,对应的DSP核就要申请核外的总线控制权。因此为了避免多核DSP的各个DSP子核启动BootLoader程序时引起的片外总线冲突,可通过控制每个DSP子核的复位过程,使每个DSP子核在不同的时间内启动自身的BootLoader程序来解决片外总线冲突的问题。

　　为了实现两个DSP子核复位过程的分离,应采用如图2所示的DSP子核复位过程控制方法。

　　由于TMS320VC5421中A核拥有倍频的锁相环电路,所以首先复位A核,启动A核的BootLoader程序,实现A核的用户程序上电自举。然后再由A核的用户程序控制B核的复位过程,启动B核的BootLoader程序,实现B核的用户程序上电自举。

　　在A核的BootLoader程序执行完后,A核就会执行自身的用户程序代码。A核的用户程序代码释放片外总线的控制权,并且控制B核的复位管脚,促使B核启动自身的BootLoader程序。如果此时A核中的用户代码又申请片外总线控制权或正在使用片外总线,就会造成片外总线冲突。解决此冲突的办法有如下两个:

　　·粗略估计B核的BootLoader程序执行时间,在A核的有效程序代码前加一个延迟程序。

　　·在A核的有效程序代码前加入一个死循环程序,当B核BootLoader程序执行完后,B核通知A核,A核就跳出这个死循环程序,开始执行自己的有效代码。

2.4 TMS320VC5421的16位并行EPROM工作方式的BootLoader程序的编程实现

　　首先设计一个简单的电路图,如图3所示。在DSP的A_XF和B_XF两个管脚分别连接一个发光二极管,A核以2Hz的频率点亮发光二极管,B核以10Hz的频率点亮发光二极管。将128K的FLASH(SST39VF400A)分成两页,每页为64K。FLASH的页的选择由TMS320VC5421的A_BDXO管脚控制。当A_BDX0为低电平,即FLASH的A16地址线为低电平时,选中FLASH的第一页,由FLASH的A0～A15地址线选择页内地址,用于存放A核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。当A_BDX0为高电平,即FLASH的A16地址线为高电平时,选中FLASH的第二页,由FLASH的A0～A15地址线选择页内地址,用于存放B核的16位并行EPROM工作方式的Boot表。

CPU_A和CPU_B的程序流程图分别如图4和图5所示。

　　(1)片外总线冲突的解决

　　估算B核执行BootLoader程序所需的时间后,在A核的用户有效程序之前,加一段延迟程序。

　　延迟的时间计算如下:

　　TMS320VC5421DSP的DMA通道从片外数据空间读取一个字到片内数据空间,需要7个指令周期时间。

　　统计用户程序大小,将对应Boot表中的所有段的大小相加：N1+N2+...=N。

　　延迟的时间为N×7=7N个指令周期。

　　由上面所述的方法可知,只需在开始执行A核的有效程序之前加一段延迟7N个指令周期的代码即可。

　　(2)生成Boot表

　　对CPU_A来说,以A核程序流程图建立一个项目Ati.msk。产生Ati.out文件后,进入该目录的DOS环境,键入:

　　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。

　　对CPU_B来说,同样以B核程序流程图建立一个项目Bti.msk。产生Bti.out文件后,进入该目录的DOS环境,键入:

　　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。

　　在实现双核DSP的上电自举后,A核和B核的用户程序将会被存放在核内程序空间的不同页面上。如从DMA的角度观看:A核的用户程序将被存放在A核的程序空间的第0页上;B核的用户程序将被存放在B核的程序空间的第2页上。因此A核的Boot表不需要修改,而B核的Boot表中的所有存放页地址的表项中的内容要更改为2。

　　(3)FLASH编程实现

　　根据FLASH芯片的控制时序,编写一个简单的DSP程序,用于将A核的Boot表写入FLASH的低64K,将B核的Boot表写入FLASH的高64K。

3 上电试验结果

　　将电路上电后,A核控制的发光二极管开始闪烁,B核控制的发光二极管也开始闪烁,且A核发光二极管闪烁频率要低于B核发光二极管闪烁频率。由此现象可得出：A核与B核的BootLoader实现成功,未产生片外总线冲突;A核以2Hz的频率点亮发光二极管,B核以10Hz的频率点亮发光二极管。

参考文献

1 李 刚.数字信号微处理器的原理及其开发应用. 天津：天津大学出版社, 2000

2 TMS320VC5421 Bootloader Technical Reference. TI,2000

3 TMS320VC5421 Data Manu.TI,2000

4 汪安民.TMS320VC54XX DSP实用技术.北京:清华大学出版社,2002

5 刘易成.TMS320C54X DSP应用程序设计与开发.北京:北京航空航天大学出版社, 2002