TMS320VC5416并行自举的巧妙实现
2008-08-22
作者：宗战华 郑建生
摘 要： 提出了一种巧妙实现DSP并行自举" title="自举">自举的方法，即采用“两次下载法”,利用DSP自身对FLASH编程，以实现DSP的并行自举" title="并行自举">并行自举。这种在系统编程" title="在系统编程">在系统编程的DSP自举实现方式无需文件转换，简单灵活。以TI公司的TMS320VC5416和闪烁存储器SST39VF200为例，介绍了该方法的具体实现过程。
关键词： DSP TMS320VC5416 FLASH SST39VF200 并行自举
随着信息技术的飞速发展，数字信号处理器（DSP）得到了广泛的应用。现今的高速DSP内部不再基于FLASH结构，而是采用存取速度更快的RAM结构。DSP掉电后其内部RAM中的程序和数据将全部丢失，所以在脱离仿真器的环境中，DSP芯片每次上电后必须自举，将外部存储区的执行代码通过某种方式搬移到内部存储区，并自动执行。目前应用非常广泛的是TI公司的5000系列DSP，常用的自举方式有并行自举、串行自举、主机接口（HPI）自举和I/O自举。HPI自举需要有一个主机（如单片机）进行干预，虽然可以通过这个主机对DSP内部工作情况进行监控，但电路复杂、成本高；串口自举代码加载" title="加载">加载速度慢；I/O自举仅占用一个端口地址，代码加载速度快，但一般的外部存储器都需要接口芯片来满足DSP的自举时序，故电路复杂，成本高；并行自举加载速度快，虽然需要占用DSP数据区的部分地址，但无需增加其它接口芯片，电路简单。因此在TI公司的5000系列DSP中，并行自举得到了广泛的应用。
将可执行代码烧录到外部存储器，传统的做法是通过编程器" title="编程器">编程器完成。先利用CCS软件中的hex500.exe文件将要写入的*.out文件转换成编程器能够识别的*.hex文件格式，再用编程器将转换后的*.hex文件烧录到外部EEROM中。然而，随着芯片制造工艺的不断提高，芯片集成度越来越高，存储器正向小型化、贴片式的方向发展，很多贴片封装的存储器很难用编程器编程，更不可能频繁插拔。与传统的EEROM相比，FLASH存储器具有支持在线擦写且擦写次数多、速度快、功耗低、容量大、价格低廉等优点。目前有很多FLASH芯片采用3.3V单电源供电，与DSP连接时无需采用电平转换芯片，因此电路连接简单。在系统编程，利用系统本身的DSP直接对外挂的FLASH存储器编程，节省了编程器的费用和开发时间、使得DSP执行代码可以在线更新。
这里，在可执行代码的FLASH烧录方面，不再采用hex500.exe文件对*.out文件进行转换，而是巧妙地采用“两次下载法”，利用DSP对FLASH的写操作将可执行代码直接写到外挂FLASH中去。
本文以一片TMS320VC5416外挂一片SST69VF200 FLASH存储器为例，介绍如何通过DSP对FLASH在系统编程，以实现DSP并行自举的具体方法，并给出了DSP 的C程序部分源码。
1 DSP和FLASH构成的自举系统
DSP在自举过程中，是将外部的存储区当作数据存储区来访问的。因此在设计时，虽然FLASH内部存储的是代码，但对于DSP而言依然是数据。由于TMS320VC5416的数据总线是16位的，所以选用16位总线接口的FLASH存储器。数据区中的0x0000～0x7FFF对应为DSP内部的RAM区，所以DSP要对外部的FLASH操作只能访问0x8000～0xFFFF的32K字存储区。
DSP自举系统的基本连接如图1所示。自举系统中选用的FLASH为SST公司的SS39VF200，该FLASH存储器为128K字容量，16位总线接口。为了简化起见，图中没有对FLASH进行分页处理，仅仅是把它当成外部数据存储区来处理。由于SS39VF200的读信号
和写信号
是分开的，且写信号的优先级高于读信号，而DSP的读写共用一个引脚，所以将DSP的读写信号与FLASH的写信号相连接，而将其读信号直接接地，FLASH的片选信号
直接与DSP的数据区选择信号相连接，这表明将FLASH作为DSP的数据存储区进行访问。如上所述，DSP只能访问外部数据区的0x8000～0xFFFF区域的数据，因此对于39VF200而言，可以将最高位地址A16直接接地。对于上述电路连接方法，39VF200存储器从0x0000开始的32K字的空间是无法访问的。
2 TMS320VC5416对 SST39VF200的在系统编程
2.1 SS39VF200芯片介绍
SST39VF200的操作不像一般的RAM和ROM，除了读数据的过程一样外，其它的操作都不相同，必须按照一定的顺序来执行。SST39VF200的常用操作如表1所示。
2.2 TMS320VC5416对 SST39VF200的编程操作
通常，在对FLASH进行编程之前，必须将FLASH中待写的区域进行擦除，然后才能进行编程操作。需要注意的是，每次对FLASH发出操作命令后，必须等到FLASH完成本次操作才能发送下一个操作命令。判断FLASH执行命令完毕的方式有两种，一是利用数据位D7判断，如果FLASH尚未完成操作，则读该位总是为低，完成操作后该位变成高；二是利用数据位D6判断，如果FLASH尚未完成操作，则相邻两次读到的D6位的值不同。当两次读到的D6位的值都是一样时，表明FLASH完成了本次操作。
下面以数据位D6判断操作完成与否，说明TMS320VC5416对SST39VF200写操作的具体过程，其它操作过程与该过程基本相同。
void Word_Program(uint *Ad,uint DQ) //Ad为编程地址，DQ为编程数据
{
uint *Ad_Temp,Temp1,Temp2; //定义临时地址指针和数据变量
Ad_Temp=(uint *)(0x5555 ); //第一个写周期
*Ad_Temp=0x00AA; //给地址0x5555写数据0x00AA
Ad_Temp=(uint *)(0x2AAA ); //第二个写周期
*Ad_Temp=0x0055; //给地址0x2AAA写数据0x0055
Ad_Temp=(uint *)(0x5555); //第三个写周期
*Ad_Temp=0x00A0; //给地址0x5555写数据0x00A0
*Ad=DQ; //给编程地址写编程数据
Again: Temp1=*Ad & 0x0040; //两次读D6（Toggle Bit）
Temp2=*Ad & 0x0040;
if(Temp1!=Temp2) //判断是否命令执行结束，否则继续读Toggle Bit
goto Again;
}
3 TMS320VC5416的并行自举
通过在系统编程可以实现将可执行代码写入FLASH。如何确定FLASH中用户程序代码的存放格式并正确自举以实现脱机运行是整个在系统编程的重点。
3.1 自举表
在介绍DSP并行自举过程之前，必须对DSP的自举表加以说明。自举表需按照TI公司规定的格式来创建。该表中存放有DSP初始化时要用到的特殊寄存器如SWWSR、BSCR等的值、程序入口地址、各段的目标首地址和长度以及要执行的代码。自举表的格式如表2所示。
3.2 并行自举过程
完整的并行自举的流程图如图 2所示。
SST39VF200 FLASH存储器是16位的，所以实际采用的是16位并行自举，DSP内部的引导程序从数据空间地址0xFFFF读取自举表首地址，最后从自举表中将可执行代码搬移到DSP对应的RAM中。
3.3 “两次下载法”实现并行自举
如何按照规定的自举表格式将表中的各项内容写入到外挂的FLASH中去？普遍的做法是利用hex500.exe文件将*.out文件转换成*.hex格式，然后读取*.hex文件，将其写入FLASH。这里采用一种更简便的“两次下载法”将自举表写入FLASH，整个过程无需文件转换和文件读取，并且完成此过程的代码很小，几乎不占用DSP内部的存储空间。
所谓的“两次下载法”就是通过仿真器对DSP进行两次加载来完成自举表的建立。第一次加载用户希望自举的可执行代码，称为代码1，加载完后不运行此代码；紧接着加载建立自举表的代码，称为代码2。代码1是DSP脱机运行时的代码，代码2仅仅是把代码1按照自举表的格式写入到外部FLASH中的代码。需要注意的是，代码1和代码2在分配程序存储空间时不可以重叠，而且代码2的数据空间必须包含代码1和外部FLASH共同占有的空间，因为它要把代码1按访问数据的方法写到外部FLASH中。由于下载完代码1后并没有运行，而是紧接着下载代码2，两者的程序存储区又不重叠，因此下载完代码2后，先前下载的代码1仍旧在DSP中，只是被代码2看成数据而已。“两次下载法”的具体操作步骤如下：
（1）将DSP的MP/MC引脚置高，让DSP工作在微处理器方式。
（2）将代码1通过仿真器下载到DSP中，但不运行该代码。
（3）将代码2通过仿真器下载到DSP中，运行此代码。
（4）代码2运行结束后，去掉仿真器，并将MP/MC引脚置低，让DSP工作在微型计算机方式。
（5）复位DSP，观察程序运行的结果是否正常。
“两次下载法”中两次代码的存储区分配情况如图3所示。
图中，代码1中的数据段起始地址为0xA，数据段结束地址为0xB，代码段起始地址为0xC，代码段结束地址为0xD，其中0xB和0xC可以是同一地址，也可以是不同地址；代码2中的数据段起始地址为0xG，数据段结束地址为0xFFFF，代码段起始地址为0xE，代码段结束地址为0xF，其中0xF和0xG可以是同一地址，也可以是不同地址。对TMS320VC5416而言，因其0x0000～0x7FFF对应的是内部的32K字空间，所以两个表中的地址大小关系为0xG<0xC<0xD<0x8000。
基于上述思想，假设代码1的程序段为0x4000～0x7FFF，数据段为0x3000～0x3FFF，代码2的程序段为0x2000～0x2FFF，数据段为0x3000～0xFF7F（需要注意的是，代码2的数据段必须包含代码1的代码段和FLASH所占据的地址空间，代码2的代码段绝对不能与代码1的代码段有重叠），外部FLASH占据的地址空间为0x8000～0xFF7F，自举表的首地址从0x8000开始，并且SWWSR和BSCR的值分别为0x0E38和0x8806，程序入口地址为0x004089，代码1长度为16K字，代码1的存放起始地址为0x004000，那么代码2在FLASH中建立自举表的程序如下：
UINT I; //定义临时变量
UINT *Addr1,*Addr2; //定义临时地址指针变量
Addr1=(uint *)0xffff;
Word_Program(Addr1,0x8000); //在数据空间0xffff地址写自举表起始地址0x8000
Addr1=(uint *)0x8000; //自举表首地址
Word_Program(Addr1,0x10AA); //自举总线宽度为16位，即第一个字为为0x10AA
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1, 0x0E38); //SWWSR的值
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1, 0x8806); //BSCR的值
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1,0); //程序入口地址XPC为0
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1,0x4089); //程序入口地址PC为0x4089
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1,0x4000); //代码长度为0x4000
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1,0); //目标程序入口地址XPC为0
Addr1++; //累加地址
Word_Program(Addr1,0x4000); //目标程序入口地址PC为0x4000
Addr1++; //累加地址
Addr2=(uint *)0x4000; //代码1起始地址
for(I=0;I<0x4000;I++) //写代码1到FLASH，长度为16K字
Word_Program(Addr1++,*(Addr2++));
Word_Program(Addr1,0x0000); //自举表结尾的一个字写入0x0000，自举表建立结束
代码2除了上面的自举表的建立外还包括FLASH的擦除和自举表数据的校验。需要注意的是，在对FLASH进行写操作之前，必须对其进行擦除，擦除部分的程序可参考前面的Word_Program()子函数。
这样，通过简单的“两次下载法”，利用代码2将要脱机运行的代码1以自举表的格式写到FLASH存储器中，校验正确后DSP即可脱机工作了。
采用“两次下载法”利用DSP自身对FLASH进行编程，可实现DSP的并行自举。这种在系统编程的DSP自举实现方式简单灵活。文中给出的硬件电路仅适用于程序代码小于32K字的系统中。在一般DSP系统中，都会有FPGA等可编程器件，利用它们可以灵活地对FLASH进行分页操作。这样，在程序量超过32K字的情况下，此方法也适用。
参考文献
1 C5000 Applications:TMS320VC5416 Bootloader. Application Report SPRA602D, March 2002
2 Data Manual：TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor. Literature Number:SPRS095J，March 1999， Revised April 2003
3 Data Sheet: 2Mbit/4Mbit/8Mbit(x16) Multi-Purpose Flash SST39VF200/SST39VF400/ SST39 VF800. Silicon Storage Technology Inc., 2001