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基于TMS320VC5402 DSP芯片的HPI自举
当前，数字信号处理器(DSP)芯片以其强大的运算能力在通信、电子、图像处理等各个领域得到了广泛的应用。使用DSP的系统可以按处理器使用的数目分为单处理器系统和多处理器系统。由于DSP的控制功能不是非常强大，在应用中往往不得不把DSP作为目标系统专门负责复杂的运算，而另外使用一个主机(PC机或是单片机)对整个系统的运行实行控制。所以，在使用DSP的多处理器系统中，主机(单片机、PC机、另一个DSP芯片)与目标系统 DSP的数据交换就成为应用系统设计中必须考虑的重要问题。 1 主机接口的传统解决方案 解决主机与目标系统的数据交换是一个非常复杂的问题。传统的方式是采用 DMA(Direct Memory Access)或全局存储器(Global Memory)完成多机系统中的数据共享。在DMA方式下，读写共享内存必须要求其它处理器处于停止工作的状态，所以DMA共享存储器的方式往往不为人所用。全局存储器是多个处理器共享的存储器。在使用全局存储器的应用系统中，DSP的地址空间被分成局部块(Local SecTIon)和全局块(Global Section)。局部块用于完成处理器自己的工作，而全局块则用来完成与其它处理器的通信工作。在TMS320C5X器件中，使用全局存储器分配寄存器GReg完成对全局内存的管理工作。GReg指定部分DSP内存为全局内存。比如，TMS320C5x器件能够分配全局数据内存空间，并通过BR(Bus Request)和 hcs控制信号实现与该内存的通信。当需要寻址全局内存空间时，BR和hcs信号变低电平。于是外部逻辑进行全局内存控制权的裁决，裁决的结果将通过选通信号通知某个TMS320C5x 从而使该DSP现在就拥有对全局内存的控制权。显然，使用全局内存的方式来完成多DSP的共享数据通信是非常方便的。但是，应用系统往往由单片机作为主机，DSP作为目标系统构成。由于当前使用最多的单片机往往是8位机，使用16位机的共享内存完成主机与DSP的数据交换不是处理太复杂就是资源利用不充分。为了解决DSP与低档 8位主机的数据交换问题，TI公司在TMS320C54x系列中使用了HPI接口。HPI将以往一些需片外实现的功能集成在片内，简化了与主机的连接，同时主机可以达到很高的访问速度。该HPI端口在TI TMS320C6x系列的器件中也得到了保持，且功能有所增强。 TI TMS320C6x系列的器件中也得到了保持，且功能有所增强。 2 TMS320VC5402的HPI TMS320VC5402是TI公司的54X系列定点DSP，具有低功耗、高性能的特点。 CPU 增强的多总线结构，三条独立的16bit数据存储器总线和一条程序存储器总线；40bit运算逻辑单元(ALU)，包括一个40bit的桶形移位器和两个独立的40bit累加器，17bit×17bit并行乘法器?连接一个40bit的专用加法器，可用来进行非流水单周期乘/加(MAC)运算;比较、选择和存储单元(CSSU)用于Viterbi运算器的加／比较选择?指数编码器在一个周期里计算一个40bit累加器的指数值?两个地址发生器中有八个辅助寄存器和两个辅助寄存器运算单元(ARAUs)?数据总线具有总线保持特性。 存储器 扩展地址模式可最大寻址到1M×16bit外部程序空间，4K×16bit片上ROM，16K×16bit双访问片上RAM。 指令集 支持单指令循环和块循环，存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器管理，支持32bit长字操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存储和并行加载的算术指令、条件存储指令和中断快速返回，支持定点DSP C语言编译器。 片上硬件资源 软件可编程等待状态发生器和可编程存储单元转换，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环(PLL)时钟发生器，两个多通道缓冲串口(McBSPs)，增强型8bit并行主机接口(HPI8)，两个16bit定时器，6通道直接存储器访问(DMA)控制器。 电源 低功耗，工作电源有3.3V和1.8V(内核)，用节电模式的IDLE1、IDLE2及IDLE3指令做功率控制，可禁止CLKOUT信号。 速度 在3.3V供电(1.8V核心电压)下单周期定点指令的执行周期为10ns(100MIPS)。 仿真 符合IEEE1149.1边界扫描逻辑标准的片内扫描仿真逻辑接口。 TMS320C54x系列DSP芯片中的HPI，能够顺序传送或随机传送数据，产生HOST中断和C54x中断，接口灵活，并可通过DMA总线访问片内RAM。当TMS320 C54X与主机(或主设备)交换信息时，HPI是主机的一个外围设备。HPI有8根数据线HD(0~7)，在TMS320C54x与HOST传送数据时，HPI能自动将外部接口传来的连续数据组合成16位数后传送给DSP。如果HOST和DSP竞争同一个地址，则HOST优先，DSP等待一个HPI周期。
TMS320C54x系列发展到TMS320VC5402的时候，其HPI已经得到了增强，被称为HPI-8。和TMS320C54x系列前几款芯片中的标准HPI相比，HPI-8在几个方面有所不同，见表1。表1 HPI-8和标准HPI的主要差别
HPI-8的使用是通过对HPIA、HPIC和HPID三个寄存器赋值实现的。HPIA是地址寄存器，HPIC是控制寄存器，而HPID是数据寄存器。简单地说，HOST通过外部引脚HCNTL0和HCNTL1选中不同的寄存器，则当前发送的8位数据就送到该寄存器。在使用上，由于HPIC是16位寄存器，而HPI-8是8位的数据宽度，所以在HOST向HPIC写数据时，需要发送两个一样的8位数据。而地址寄存器HPIA选择后，直接向它写数据就可以了，但是要注意MSB和LSB的顺序。另外，HPIA具有自动增长的功能，在每写入一个数据前和每写入一个数据后，HPIA会自动加1。这样，如果使能了该功能，只需设定一次HPIA即可实现连续数据块的写入和读出。数据寄存器HPID，严格说应该叫做数据缓冲寄存器，因为最终数据是要写到片内RAM的。只是在实现上，数据首先从HOST发到HPID中，然后根据HPIA指定的地址，HPID中的数据再写到片内RAM的地址中。不过对用户而言，该过程是透明的。 使用HPI对DSP进行自举 HPI是作为多机数据交换而出现的，但是由于其功能特性，又产生了一种新的应用--使用HPI对DSP进行自举。实际上，TMS320VC5x系列DSP在片内固化的Bootloader程序中对HPI自举提供了全面的支持。笔者在VOIP系统的开发中，实现了使用HPI对DSP TMS320VC5402的自举，从而省掉了DSP的EPROM，使DSP只使用SRAM，提高了处理速度，并使HOST CPU具有更大的控制权，很适合多处理器系统。对于计算机插卡式的DSP系统，程序可以从PC机的硬盘上获取，从而减小了插卡版面空间占用，提高了处理速度。 在实现上，需要解决以下几个问题。 3.1 DSP片内固化的Bootloader程序对HPI自举的支持 自举从本质上说就是在DSP启动后通过某种方式获取运行代码并开始运行，这个过程是在固化在DSP片内的Bootloader程序辅助下完成的。在DSP上电以后，Bootloader程序按照一定的顺序依次检验何种自举方式可用，自举方式包括HPI方式、Serial EEPROM方式、标准Serial Port方式、Parallel方式和I/O方式。 Bootloader查询HPI方式是否可用是这样进行的：在启动以后，DSP片内0x7f地址的值被置为0，Bootloader不断检验0x7f地址处是否出现了可用的程序指针的跳转地址。当其发现该地址内的值不为0时，即判定为DSP已由外部HOST CPU进行了HPI自举程序加载，并按照该值跳转PC指针，开始运行，从而完成HPI方式自举。 3.2 突破4K的空间限制 由于HPI-8的特性，HOST能够访问所有的片内RAM空间，对于TMS320VC5402来说，其片内RAM地址空间从0000H到3fffH，一共4K。这已经大大超过了标准HPI的2K的大小，但是对于大多数DSP应用程序来说，片内RAM除了放置程序代码以外，很可能还需要留出一部分供数据空间使用。实际上，大部分代码都可能放置在片外的程序空间，而这部分空间并不是HOST通过HPI-8所能够访问得到的。所以需要使用某种技术突破4K的片内RAM空间限制。由于DSP程序本身是能够访问到所有DSP程序、数据空间的，所以HOST可以首先放置一个体积不大于4K的程序到DSP内，再由该程序和HOST协作完成超出片内RAM的代码的放置工作。 一般将上述的首先放入DSP的程序称为Kernel程序，其功能比较简单，本身不超过4K，可以由HOST全部放入到TMS320VC5402的片内RAM中，并被启动。 基于此种思路的流程图如图1所示。
3.3 程序代码的定位 编程序的时侯使用符号作为地址，经编译、链接后，符号所表示的相对地址已经转化为绝对地址。要使程序能够正常运行，需要将程序代码写到指定的位置--绝对地址。在 HOST→Kernel→DSP应用的HPI自举方式中，HOST和Kernel需先后完成Kernel代码和DSP应用程序代码的定位工作。 因此，在HOST CPU的外存储器中，至少需要保存DSP程序代码和相应的地址信息。这些数据在由自举程序写到DSP后，被拼接成正确的可执行代码、已初始化数据等，并被正确定位。一般来说，HOST CPU的外存储器中的DSP自举数据是HEX格式的。虽然HEX格式有很多种，但任何一种包含有地址等信息的16进制HEX格式文件都是适用的。
常见的HEX格式有ASCII、Intel、TI-Tagged等格式，如图2所示。
在各种HEX格式中，Intel格式相对来说比较适宜，因为在Intel格式的HEX文件中，代码被分为每行一个块，这种分块的最大长度固定，因此在DSP内预留的缓冲区的大小容易计算。Intel格式的HEX文件的格式为：BYTE1作为每块的起始标志，总是"："；BYTE2-3表示该块中有效数据的长度，最长为32个BYTE。这种有效数据可能是程序代码，也可能是扩展地址信息；BYTE4-7表示该块内代码的起始地址；BYTE8-9是类型，00表示程序代码，01表示结束，04表示扩展地址信息；BYTE10之后是代码，直到最后两个BYTE，表示校验位。校验位的值是该块中先前数据值和的补码。 根据选定的HEX格式，CPU首先按照该格式的定义对Kernel的HEX数据进行解释，获取各种信息后，CPU将其在TMS320VC5402片内RAM中组成可执行DSP程序。然后在CPU和kernel的共同作用下，对DSP应用程序的HEX数据进行解释，最后完成其在DSP中的拼接、定位并启动DSP应用程序--跳转到DSP应用程序的起始地址。 4 系统软硬件设计与实现 4.1 系统框图 在笔者开发的VOIP系统中，使用了HPI对DSP (TMS320VC5402)进行自举的功能。其中相应部分的框图如图3所示。
对于PC机插卡的系统，该框图更可以省略掉HPI以右的部分，而直接使用PC机的CPU和硬盘作为相应的控制和只读存储器件。这样，仅需要为DSP配备RAM即可使其正常运行。 4.2 Kernel程序设计 按照前面所说，kernel程序的作用是用于突破TMS320VC5402 4K片内RAM空间限制的中间程序，其功能无非就是按照和HOST CPU的某种约定，获取DSP程序代码和相应地址信息，在DSP所能够访问到的存储器空间(片内和片外)生成DSP程序代码。由于 Kernel的功能比较少，故其可以做得非常小。其中关键的生成DSP程序代码部分的代码如下：
4.3 运行流程 按照前述的系统构成，首先将PC机上调试好的Kernel程序和DSP应用程序(一般为COFF格式)转换成HEX文件，并通过串口将这些文件存放到CPU的Flash中，在存放过程中应将HEX文件原样保存，以保留其中所有的信息。在系统启动后，CPU从Flash中获取Kernel的HEX数据，通过HPI将其在TMS320VC5402中组合出Kernel运行程序并启动。然后，CPU从其Flash中获取DSP应用程序的HEX数据，通过HPI将其分块放入TMS320VC5402，并和已经开始运行的Kernel程序最终完成DSP引用程序的正确定位工作。最后启动DSP应用程序。 在实践中发现，虽然HPI的设计初衷是为了和低速8位机接口进行数据交换，但是HPI本身的工作速度非常高。通过HPI方式加载一段不小于130K的DSP应用程序代码所需要的时间不超过3秒钟。 TI系列DSP提供了如此丰富的应用方式，无疑给DSP系统开发者带来了极大的方便。
当前，数字信号处理器(DSP)芯片以其强大的运算能力在通信、电子、图像处理等各个领域得到了广泛的应用。使用DSP的系统可以按处理器使用的数目分为单处理器系统和多处理器系统。由于DSP的控制功能不是非常强大，在应用中往往不得不把DSP作为目标系统专门负责复杂的运算，而另外使用一个主机(PC机或是单片机)对整个系统的运行实行控制。所以，在使用DSP的多处理器系统中，主机(单片机、PC机、另一个DSP芯片)与目标系统 DSP的数据交换就成为应用系统设计中必须考虑的重要问题。 1 主机接口的传统解决方案 解决主机与目标系统的数据交换是一个非常复杂的问题。传统的方式是采用 DMA(Direct Memory Access)或全局存储器(Global Memory)完成多机系统中的数据共享。在DMA方式下，读写共享内存必须要求其它处理器处于停止工作的状态，所以DMA共享存储器的方式往往不为人所用。全局存储器是多个处理器共享的存储器。在使用全局存储器的应用系统中，DSP的地址空间被分成局部块(Local SecTIon)和全局块(Global Section)。局部块用于完成处理器自己的工作，而全局块则用来完成与其它处理器的通信工作。在TMS320C5X器件中，使用全局存储器分配寄存器GReg完成对全局内存的管理工作。GReg指定部分DSP内存为全局内存。比如，TMS320C5x器件能够分配全局数据内存空间，并通过BR(Bus Request)和 hcs控制信号实现与该内存的通信。当需要寻址全局内存空间时，BR和hcs信号变低电平。于是外部逻辑进行全局内存控制权的裁决，裁决的结果将通过选通信号通知某个TMS320C5x 从而使该DSP现在就拥有对全局内存的控制权。显然，使用全局内存的方式来完成多DSP的共享数据通信是非常方便的。但是，应用系统往往由单片机作为主机，DSP作为目标系统构成。由于当前使用最多的单片机往往是8位机，使用16位机的共享内存完成主机与DSP的数据交换不是处理太复杂就是资源利用不充分。为了解决DSP与低档 8位主机的数据交换问题，TI公司在TMS320C54x系列中使用了HPI接口。HPI将以往一些需片外实现的功能集成在片内，简化了与主机的连接，同时主机可以达到很高的访问速度。该HPI端口在TI TMS320C6x系列的器件中也得到了保持，且功能有所增强。 TI TMS320C6x系列的器件中也得到了保持，且功能有所增强。 2 TMS320VC5402的HPI TMS320VC5402是TI公司的54X系列定点DSP，具有低功耗、高性能的特点。 CPU 增强的多总线结构，三条独立的16bit数据存储器总线和一条程序存储器总线；40bit运算逻辑单元(ALU)，包括一个40bit的桶形移位器和两个独立的40bit累加器，17bit×17bit并行乘法器?连接一个40bit的专用加法器，可用来进行非流水单周期乘/加(MAC)运算;比较、选择和存储单元(CSSU)用于Viterbi运算器的加／比较选择?指数编码器在一个周期里计算一个40bit累加器的指数值?两个地址发生器中有八个辅助寄存器和两个辅助寄存器运算单元(ARAUs)?数据总线具有总线保持特性。 存储器 扩展地址模式可最大寻址到1M×16bit外部程序空间，4K×16bit片上ROM，16K×16bit双访问片上RAM。 指令集 支持单指令循环和块循环，存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器管理，支持32bit长字操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存储和并行加载的算术指令、条件存储指令和中断快速返回，支持定点DSP C语言编译器。 片上硬件资源 软件可编程等待状态发生器和可编程存储单元转换，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环(PLL)时钟发生器，两个多通道缓冲串口(McBSPs)，增强型8bit并行主机接口(HPI8)，两个16bit定时器，6通道直接存储器访问(DMA)控制器。 电源 低功耗，工作电源有3.3V和1.8V(内核)，用节电模式的IDLE1、IDLE2及IDLE3指令做功率控制，可禁止CLKOUT信号。 速度 在3.3V供电(1.8V核心电压)下单周期定点指令的执行周期为10ns(100MIPS)。 仿真 符合IEEE1149.1边界扫描逻辑标准的片内扫描仿真逻辑接口。 TMS320C54x系列DSP芯片中的HPI，能够顺序传送或随机传送数据，产生HOST中断和C54x中断，接口灵活，并可通过DMA总线访问片内RAM。当TMS320 C54X与主机(或主设备)交换信息时，HPI是主机的一个外围设备。HPI有8根数据线HD(0~7)，在TMS320C54x与HOST传送数据时，HPI能自动将外部接口传来的连续数据组合成16位数后传送给DSP。如果HOST和DSP竞争同一个地址，则HOST优先，DSP等待一个HPI周期。
TMS320C54x系列发展到TMS320VC5402的时候，其HPI已经得到了增强，被称为HPI-8。和TMS320C54x系列前几款芯片中的标准HPI相比，HPI-8在几个方面有所不同，见表1。表1 HPI-8和标准HPI的主要差别
HPI-8的使用是通过对HPIA、HPIC和HPID三个寄存器赋值实现的。HPIA是地址寄存器，HPIC是控制寄存器，而HPID是数据寄存器。简单地说，HOST通过外部引脚HCNTL0和HCNTL1选中不同的寄存器，则当前发送的8位数据就送到该寄存器。在使用上，由于HPIC是16位寄存器，而HPI-8是8位的数据宽度，所以在HOST向HPIC写数据时，需要发送两个一样的8位数据。而地址寄存器HPIA选择后，直接向它写数据就可以了，但是要注意MSB和LSB的顺序。另外，HPIA具有自动增长的功能，在每写入一个数据前和每写入一个数据后，HPIA会自动加1。这样，如果使能了该功能，只需设定一次HPIA即可实现连续数据块的写入和读出。数据寄存器HPID，严格说应该叫做数据缓冲寄存器，因为最终数据是要写到片内RAM的。只是在实现上，数据首先从HOST发到HPID中，然后根据HPIA指定的地址，HPID中的数据再写到片内RAM的地址中。不过对用户而言，该过程是透明的。 使用HPI对DSP进行自举 HPI是作为多机数据交换而出现的，但是由于其功能特性，又产生了一种新的应用--使用HPI对DSP进行自举。实际上，TMS320VC5x系列DSP在片内固化的Bootloader程序中对HPI自举提供了全面的支持。笔者在VOIP系统的开发中，实现了使用HPI对DSP TMS320VC5402的自举，从而省掉了DSP的EPROM，使DSP只使用SRAM，提高了处理速度，并使HOST CPU具有更大的控制权，很适合多处理器系统。对于计算机插卡式的DSP系统，程序可以从PC机的硬盘上获取，从而减小了插卡版面空间占用，提高了处理速度。 在实现上，需要解决以下几个问题。 3.1 DSP片内固化的Bootloader程序对HPI自举的支持 自举从本质上说就是在DSP启动后通过某种方式获取运行代码并开始运行，这个过程是在固化在DSP片内的Bootloader程序辅助下完成的。在DSP上电以后，Bootloader程序按照一定的顺序依次检验何种自举方式可用，自举方式包括HPI方式、Serial EEPROM方式、标准Serial Port方式、Parallel方式和I/O方式。 Bootloader查询HPI方式是否可用是这样进行的：在启动以后，DSP片内0x7f地址的值被置为0，Bootloader不断检验0x7f地址处是否出现了可用的程序指针的跳转地址。当其发现该地址内的值不为0时，即判定为DSP已由外部HOST CPU进行了HPI自举程序加载，并按照该值跳转PC指针，开始运行，从而完成HPI方式自举。 3.2 突破4K的空间限制 由于HPI-8的特性，HOST能够访问所有的片内RAM空间，对于TMS320VC5402来说，其片内RAM地址空间从0000H到3fffH，一共4K。这已经大大超过了标准HPI的2K的大小，但是对于大多数DSP应用程序来说，片内RAM除了放置程序代码以外，很可能还需要留出一部分供数据空间使用。实际上，大部分代码都可能放置在片外的程序空间，而这部分空间并不是HOST通过HPI-8所能够访问得到的。所以需要使用某种技术突破4K的片内RAM空间限制。由于DSP程序本身是能够访问到所有DSP程序、数据空间的，所以HOST可以首先放置一个体积不大于4K的程序到DSP内，再由该程序和HOST协作完成超出片内RAM的代码的放置工作。 一般将上述的首先放入DSP的程序称为Kernel程序，其功能比较简单，本身不超过4K，可以由HOST全部放入到TMS320VC5402的片内RAM中，并被启动。 基于此种思路的流程图如图1所示。
常见的HEX格式有ASCII、Intel、TI-Tagged等格式，如图2所示。
对于PC机插卡的系统，该框图更可以省略掉HPI以右的部分，而直接使用PC机的CPU和硬盘作为相应的控制和只读存储器件。这样，仅需要为DSP配备RAM即可使其正常运行。 4.2 Kernel程序设计 按照前面所说，kernel程序的作用是用于突破TMS320VC5402 4K片内RAM空间限制的中间程序，其功能无非就是按照和HOST CPU的某种约定，获取DSP程序代码和相应地址信息，在DSP所能够访问到的存储器空间(片内和片外)生成DSP程序代码。由于 Kernel的功能比较少，故其可以做得非常小。其中关键的生成DSP程序代码部分的代码如下： 4.3 运行流程 按照前述的系统构成，首先将PC机上调试好的Kernel程序和DSP应用程序(一般为COFF格式)转换成HEX文件，并通过串口将这些文件存放到CPU的Flash中，在存放过程中应将HEX文件原样保存，以保留其中所有的信息。在系统启动后，CPU从Flash中获取Kernel的HEX数据，通过HPI将其在TMS320VC5402中组合出Kernel运行程序并启动。然后，CPU从其Flash中获取DSP应用程序的HEX数据，通过HPI将其分块放入TMS320VC5402，并和已经开始运行的Kernel程序最终完成DSP引用程序的正确定位工作。最后启动DSP应用程序。 在实践中发现，虽然HPI的设计初衷是为了和低速8位机接口进行数据交换，但是HPI本身的工作速度非常高。通过HPI方式加载一段不小于130K的DSP应用程序代码所需要的时间不超过3秒钟。 TI系列DSP提供了如此丰富的应用方式，无疑给DSP系统开发者带来了极大的方便。
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