摘? 要: 高性能DSP處理器與FLASH存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)" title="的接口設(shè)計(jì)">的接口設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)基于TMS320C6000系列DSP的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)。以基于三個(gè)TMS320C6201/6701 DSP芯片開(kāi)發(fā)成功的嵌入式并行圖像處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)為例,介紹了高性能DSP處理器與FLASH存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)技術(shù)以及引導(dǎo)程序的生成。
關(guān)鍵詞: TMS320C6201/6701? FLASH? 接口設(shè)計(jì)? 引導(dǎo)
?
DSP是針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器,由于它具有計(jì)算速度快、體積小、功耗低的突出優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。自世界上第一片通用DSP芯片TMS320C10于1982年在美國(guó)TI公司產(chǎn)生以來(lái),DSP處理器便顯示出強(qiáng)盛的生命力。短短二十多年,世界上許多公司便開(kāi)發(fā)出各種規(guī)格的DSP處理器,并使它們?cè)谕ㄐ拧⒆詣?dòng)控制、雷達(dá)、氣象、導(dǎo)航、機(jī)器人等許多嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后期美國(guó)TI公司推出的面向通訊領(lǐng)域的新一代32位的TMS320C6000系列DSP芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)C6000)是目前世界上最先進(jìn)的DSP處理器,其中C62XX和C64XX為通用32位定點(diǎn)系列DSP處理器,C67XX為通用32位浮點(diǎn)系列DSP處理器,其指令速度分別高達(dá)960～4800MIPS和600MFLOPS～1GFLOPS,可與早期的巨型計(jì)算機(jī)速度相媲美,且單芯片功耗小于1.5W、采用BGA封裝(小型球柵陣列)、體積也很小(最大35mm×35mm×3.5mm)。因此,這些DSP處理器將在許多科技領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。FLASH存儲(chǔ)器是新型的可電擦除的非易失性只讀存儲(chǔ)器,屬于EEPROM器件,與其它的ROM器件相比,其存儲(chǔ)容量大、體積小、功耗低,特別是其具有在系統(tǒng)可編程擦寫(xiě)而不需要編程器擦寫(xiě)的特點(diǎn),使它迅速成為存儲(chǔ)程序代碼和重要數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器,成為嵌入式系統(tǒng)必不可少的重要器件。DSP與FLASH存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù),本文以基于三個(gè)C6201/C6701 DSP芯片開(kāi)發(fā)成功的嵌入式并行圖像處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)為例,介紹這一設(shè)計(jì)技術(shù)。
1 C6201/C6701新一代DSP處理器[1]
1.1 C6201/C6701的特點(diǎn)及外部存儲(chǔ)器接口EMIF
C6201為通用32位定點(diǎn)DSP處理器,C6701為通用32位浮點(diǎn)DSP處理器,它們采用并行度很高的處理器結(jié)構(gòu),從而具有許多突出的特點(diǎn):
·DSP核采用改進(jìn)的超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)和多流水線(xiàn)技術(shù),具有8個(gè)可并行執(zhí)行的功能單元,其中6個(gè)為ALU,兩個(gè)為乘法器,并分成相同功能的兩組,在沒(méi)有指令相關(guān)情況下,最高可同時(shí)執(zhí)行8條并行指令;
·具有32個(gè)32位通用寄存器,并分成兩組,每組16個(gè),大大加快了計(jì)算速度;
·片上" title="片上">片上集成了大容量的高速程序存儲(chǔ)器" title="程序存儲(chǔ)器">程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,最高可以200Mbit/s的速度訪(fǎng)問(wèn),并采用改進(jìn)的多總線(xiàn)多存儲(chǔ)體的哈佛結(jié)構(gòu)。程序存儲(chǔ)器為64K字節(jié)、256位寬,每個(gè)指令周期可讀取8個(gè)指令字,還可靈活設(shè)置為高速CACHE使用;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用雙存儲(chǔ)塊,每個(gè)存儲(chǔ)塊又采用多個(gè)存儲(chǔ)體,可靈活支持8/16/32位數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。C6701還可支持64位訪(fǎng)問(wèn),每個(gè)時(shí)鐘可訪(fǎng)問(wèn)雙32位數(shù)據(jù),C6701還可訪(fǎng)問(wèn)雙64位IEEE雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù);
·片上集成了32位外部存儲(chǔ)器接口EMIF,并且分成4個(gè)時(shí)序可編程的空間(CE0、CE1、CE2、CE3),可直接支持各種規(guī)格SDRAM(除CE1空間外)、SBSRAM、SRAM、ROM、FLASH、FIFO存儲(chǔ)器。同時(shí),CE1空間還可直接支持8/16位寬的異步存儲(chǔ)器讀訪(fǎng)問(wèn),EMIF接口信號(hào)如圖1所示。
?
?
·片上集成了4個(gè)主DMA控制器和一個(gè)輔助DMA控制器;
·片上集成了兩個(gè)32位多功能定時(shí)器;
·片上集成了兩個(gè)多通道通用串行通訊口;
·片上集成了16位宿主機(jī)HPI端口,與EMIF端口一起,可支持構(gòu)成并行多處理器系統(tǒng);
·片上集成的鎖相循環(huán)PLL電路,具有4倍頻外部時(shí)鐘的功能,從而在外部可采用較低的時(shí)鐘電路,而在片內(nèi)可高頻(120MHz、150MHz、167MHz、200MHz)地進(jìn)行計(jì)算;
·片上集成了符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的JTAG在系統(tǒng)仿真接口,大大方便了硬件調(diào)試;
·具有一個(gè)復(fù)位中斷,一個(gè)非屏蔽中斷,4個(gè)邊沿觸發(fā)的可編程的可屏蔽中斷;
·雙電源供電,內(nèi)核電源為1.8V,外圍設(shè)備電源為3.3V,功耗低于1.5W;
·采用352BGA小型球柵陣列封裝,體積很小;
·具有豐富的適合數(shù)字運(yùn)算處理的指令集,并且所有的指令為條件轉(zhuǎn)移指令。
C6201/C6701高度的并行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、高速的時(shí)鐘頻率使其具有高達(dá)1600MIPS和400MMAC的運(yùn)算能力,比通常使用的DSP計(jì)算速度快十幾倍,甚至幾十倍,再加上其具有并行執(zhí)行、多功能、多任務(wù)的能力和豐富的指令集以及體積小、功耗低、易于使用的特點(diǎn),使它非常適合在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用;同時(shí)TI公司開(kāi)發(fā)了高效的C編譯器和多功能的集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)CODE COMPOSER STUDIO(簡(jiǎn)稱(chēng)CCS)以及高性能的仿真器,大大簡(jiǎn)化程序代碼的編寫(xiě)與調(diào)試。
1.2 C6201/C6701的引導(dǎo)工作方式
在加電后,C6201/C6701可采用直接從零地址(只能為外部存儲(chǔ)器)開(kāi)始執(zhí)行程序的不引導(dǎo)方式工作;也可采用輔助DMA先自動(dòng)從宿主機(jī)HPI端口或外部CE1空間(8/16/32位ROM)加載64K字節(jié)程序至零地址(片上存儲(chǔ)器或外部存儲(chǔ)器),然后再?gòu)牧愕刂烽_(kāi)始執(zhí)行程序的引導(dǎo)方式工作。C6201/C6701的這些工作方式" title="工作方式">工作方式由上電復(fù)位時(shí)5個(gè)引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號(hào)電平?jīng)Q定,這些電平信號(hào)還決定地址映射方式是采用某 種類(lèi)型、速度的外部存儲(chǔ)器為零地址的MAP0方式,還是采用片上程序存儲(chǔ)器為零地址的MAP1方式。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。在引導(dǎo)工作方式中,當(dāng)零地址為片上程序存儲(chǔ)器時(shí),程序直接從高速256位寬的片上程序存儲(chǔ)器并行執(zhí)行,能充分發(fā)揮DSP的高速性能;而在其它工作方式中,程序是從外部慢速32位寬的存儲(chǔ)器開(kāi)始串行執(zhí)行。因此,基于C6000的嵌入式系統(tǒng)一般采用引導(dǎo)至片上程序存儲(chǔ)器執(zhí)行的工作方式,如表1所示。
?
?
2 FLASH存儲(chǔ)器MBM29LV800BA[2]
2.1 MBM29LV800BA介紹
MBM29LV800BA是FUJITSU公司生產(chǎn)的1M×8/512K×16位的FLASH存儲(chǔ)器,其管腳信號(hào)如圖2所示。/BYTE為×8或×16工作方式配置管腳(/BYTE接低時(shí)為×8方式,地址線(xiàn)為[A-1,A0,...,A18]共20根,數(shù)據(jù)線(xiàn)為DQ[0：7],數(shù)據(jù)線(xiàn)高8位不用;/BYTE接高時(shí)為×16方式,地址線(xiàn)為A[0：18]共19根,A-1不用,數(shù)據(jù)線(xiàn)為DQ[0：15]);RY/*BY為表示FLASH就緒或忙的管腳(它是集電極開(kāi)路引腳,多個(gè)RY/*BY管腳可通過(guò)上拉電阻直接“線(xiàn)與”連接)。
?
?
MBM29LV800BA具有許多特點(diǎn),主要如下:
·單電源3.0V讀、編程寫(xiě)入、擦除;
·與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的命令集和引腳分布兼容;
·增加了快速編程寫(xiě)入命令,寫(xiě)入僅需兩個(gè)總線(xiàn)周期;
·具有至少100 000次的編程寫(xiě)入/擦寫(xiě)壽命;
·靈活的扇區(qū)結(jié)構(gòu)支持整片內(nèi)容擦除、任一扇區(qū)內(nèi)容擦除、相連續(xù)的多扇區(qū)內(nèi)容并行擦除;
·具有嵌入式編程寫(xiě)入算法,可自動(dòng)寫(xiě)入和驗(yàn)證寫(xiě)入地址的數(shù)據(jù);
·具有嵌入式擦除算法,可自動(dòng)預(yù)編程和擦除整個(gè)芯片或任一扇區(qū)的內(nèi)容;
·具有數(shù)據(jù)查尋位和切換位,可以通過(guò)軟件查尋方法檢測(cè)編程寫(xiě)入/擦除操作的狀態(tài);
·具有RY/*BY管腳,可以通過(guò)硬件方法檢測(cè)編程寫(xiě)入/擦除操作的狀態(tài);
·自動(dòng)休眠功能,當(dāng)?shù)刂繁３址€(wěn)定時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式;
·具有低電壓禁止寫(xiě)入功能;
·具有擦除暫停/擦除恢復(fù)功能。
2.2 MBM29LV800BA的主要命令及嵌入式算法
MBM29LV800BA的編程寫(xiě)入及擦除命令如表2所示。其中,X為十六進(jìn)制數(shù)字的任意值,RA為被讀數(shù)據(jù)的FLASH地址,RD為從FLASH地址RA讀出的數(shù)據(jù),PA為寫(xiě)編程命令字的FLASH地址,PD為編程命令字,SA為被擦除內(nèi)容的扇區(qū)地址。
?
?
MBM29LV800BA具有嵌入式編程寫(xiě)入和擦除算法機(jī)構(gòu),當(dāng)向FLASH寫(xiě)入數(shù)據(jù)內(nèi)容或擦除其扇區(qū)內(nèi)容時(shí),需要根據(jù)相應(yīng)的算法編程才能完成。其編程擦除算法流程為:首先寫(xiě)編程擦除命令序列;然后運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試算法以確定擦除操作完成;其編程寫(xiě)入算法流程為:程序開(kāi)始,首先驗(yàn)證寫(xiě)入扇區(qū)是否為空,不空則運(yùn)行擦除算法;然后運(yùn)行編程寫(xiě)入算法,寫(xiě)編程寫(xiě)入命令序列,再運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試算法或查詢(xún)RY/*BY管腳信號(hào)以確定該次操作完成。地址增1繼續(xù)上述過(guò)程,否則結(jié)束操作;數(shù)據(jù)測(cè)試算法主要是測(cè)試DQ7和DQ5位的數(shù)據(jù)變化,以確定該次操作是進(jìn)行中、完成、還是失敗。
3 C6201/6701與FLASH的接口設(shè)計(jì)[3]
基于C6000系列DSP處理器的嵌入式系統(tǒng)往往采用地址映射方式為MAP1的ROM引導(dǎo)方式。這種方式是把開(kāi)發(fā)成功的嵌入式可執(zhí)行程序燒寫(xiě)在CE1空間(從0X01400000地址開(kāi)始的ROM存儲(chǔ)器)中,并根據(jù)引導(dǎo)方式設(shè)置相應(yīng)的引導(dǎo)模式管腳BOOTMODE[4：0]。這樣,當(dāng)嵌入式系統(tǒng)上電工作時(shí),從復(fù)位信號(hào)的上升沿開(kāi)始,輔助DMA把執(zhí)行程序從引導(dǎo)ROM中移至片上程序存儲(chǔ)器中,然后在片上程序存儲(chǔ)器開(kāi)始執(zhí)行程序。這種方式可充分發(fā)揮C6000系列DSP的并行結(jié)構(gòu)特點(diǎn),具有最好的執(zhí)行性能。當(dāng)引導(dǎo)ROM器件采用FLASH存儲(chǔ)器MBM29LV800BA時(shí),C6201/C6701與FLASH存儲(chǔ)器以8位方式連接的接口設(shè)計(jì)如圖3所示。FLASH的地址線(xiàn)[A-1,A0,...,A18]與DSP的EMIF接口地址線(xiàn)[EA2,EA3,...,EA21]直接相連;FLASH的低8位數(shù)據(jù)線(xiàn)DQ[0：7]與EMIF接口數(shù)據(jù)線(xiàn)[ED0,...,ED7]直接相連,高8位數(shù)據(jù)線(xiàn)DQ[8：15]不連接;讀寫(xiě)使能信號(hào)可直接相連;EMIF接口的片選信號(hào)/CE1與字節(jié)使能信號(hào)/BE0“相與”后與FLASH的片選信號(hào)相連;FLASH的方式信號(hào)/BYTE接地;由于EMIF接口的ARDY信號(hào)為低時(shí),DSP自動(dòng)插入等待時(shí)鐘周期,因此,FLASH的就緒或忙RY/*BY信號(hào)經(jīng)上拉電阻直接與ARDY信號(hào)相連,這種設(shè)計(jì)使FLASH的編程寫(xiě)操作可不運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試算法,大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì);C6201/C6701與FLASH以16位或32位方式相連的接口設(shè)計(jì)與8位方式類(lèi)似。
?
4 引導(dǎo)程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)過(guò)程[4]
C6000系列DSP的引導(dǎo)程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)不能一步完成,它需要一系列的實(shí)現(xiàn)步驟:首先,在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí),可在C6000系列DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS中,用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序USAGE.C,通過(guò)編譯、連接查找、修正原程序中的錯(cuò)誤,生成COFF格式的可執(zhí)行文件USAGE.OUT;其次,當(dāng)硬件設(shè)計(jì)成功時(shí),利用仿真器加載軟件程序USAGE.OUT到硬件系統(tǒng)中調(diào)試驗(yàn)證軟件程序,直至程序無(wú)錯(cuò)誤;然后,編寫(xiě)、加載鏈接指令文件Link.cmd,重新編譯、鏈接軟件程序生成BOOT.OUT文件,再利用TI公司提供的HEX轉(zhuǎn)換工具包中的轉(zhuǎn)換程序和FLASH存儲(chǔ)器寬度,把該BOOT.OUT文件轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BOOT.HEX文件,由于轉(zhuǎn)換工具包中沒(méi)有提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序把BOOT.OUT文件直接轉(zhuǎn)換為FLASH認(rèn)可的二進(jìn)制文件,因此還需要編寫(xiě)轉(zhuǎn)換程序把BOOT.HEX文件再轉(zhuǎn)換為BOOT.BIN二進(jìn)制文件;最后,在CCS中編寫(xiě)FLASH寫(xiě)入程序,編譯、鏈接生成可執(zhí)行文件,并通過(guò)JTAG端口加載運(yùn)行,把得到的引導(dǎo)程序BOOT.BIN作為數(shù)據(jù)文件寫(xiě)入引導(dǎo)FLASH存儲(chǔ)器中。需注意的是程序?qū)懭隖LASH存儲(chǔ)器時(shí),需要把CE1空間寄存器設(shè)置為32位寬度存儲(chǔ)器接口方式。
Link.cmd
-c
-l rts6201.lib?? ;或rts6701.lib
MEMORY
{
???? ?? VECS?? ：???????o = 00000000h l = 00000200h
?????? PMEM?? ：???????o = 00000200h l = 0000FE00h
?????? DMEM?? ：? ???? o = 80000000h l = 00010000h
?????? CE1VECS： o = 01400000h l = 00000200h
???? ?? CE1PMEM：???????o = 01400200h l = 0000FE00h
?????? CE1init： ????? o = 01410000h l = 00010000h
}
SECTIONS
{
???? ?? .vector： load=CE1VECS, run=VECS
?????? .text? ： load=CE1PMEM, run=PMEM
?????? .cinit ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .const ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .data? ： load=CE1init, run=DMEM
?????? .cio???? > DMEM
?????? .far???? > DMEM
???? ?? .stack?? > DMEM
?????? .bss???? > DMEM
?????? .sysmem > DMEM
}
設(shè)置引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號(hào)電平為01101。當(dāng)系統(tǒng)再次加電時(shí),即可直接執(zhí)行用戶(hù)開(kāi)發(fā)的嵌入式應(yīng)用程序。
由于C6000系列DSP處理器具有驚人的運(yùn)算速度,并且具有體積小、功耗低等特點(diǎn),必將迅速得到廣泛的應(yīng)用,盡快掌握其開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù),可使其發(fā)揮重大作用;FLASH存儲(chǔ)器具有容量大、體積小、功耗低、在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn),大大方便了DSP處理器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。C6000系列DSP與FLASH的接口設(shè)計(jì)技術(shù)已成功地在作者開(kāi)發(fā)的基于三個(gè)C6201/6701處理器的嵌入式實(shí)時(shí)圖像匹配計(jì)算機(jī)中得到應(yīng)用。
?
參考文獻(xiàn)
1 TMS320C6000 Peripherals Reference Guide. Texas Instruments,1999
2 Fujitsu Semiconductor Databook. Fujitsu Limited, 2002
3 TMS320C6000 EMIF to External FLASH Memory. Texas?Instruments,1999
4 TMS320C6000 Tools： Vector Table and Boot ROM Creation. Texas Instruments, 2002