DSP在電測(cè)量系統(tǒng)中SPI閃速引導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)

1.引言

以DSP為中心的應(yīng)用系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶軟件程序脫離仿真環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行工作，就需要在片外擴(kuò)展非易失性存儲(chǔ)器FLASH、EPROM或者用上位機(jī)向DSP下載程序。在系統(tǒng)上電復(fù)位后，用DSP的引導(dǎo)加載器把應(yīng)用程序從外部存儲(chǔ)器FLASH、EPROM或上位機(jī)中引導(dǎo)到DSP芯片內(nèi)部雙訪問(wèn)存儲(chǔ)（DARAM）單元或單訪問(wèn)存儲(chǔ)（SARAM）單元或外部擴(kuò)展RAM中。目前應(yīng)用最為廣泛的閃存，具有存取速度快、電可擦除、容量大、在線可編程、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，已成為新一代DSP系統(tǒng)中不可缺的重要組成部分。

在本測(cè)量系統(tǒng)中，利用Atmel公司閃存AT25F1024作為TMS320VC5509A的外部閃存。上電復(fù)位時(shí)，通過(guò)TMS320VC5509A的McBSP0口把AT25F1024閃存中的程序代碼或數(shù)據(jù)加載到外擴(kuò)展的RAM中。當(dāng)程序用開(kāi)發(fā)機(jī)調(diào)試好后，首先遇到的問(wèn)題是如何將調(diào)試好的程序代碼寫(xiě)入SPI 閃速存儲(chǔ)器并且滿足TMS320VC5509A引導(dǎo)加載表的格式；然后才可以利用TMS320VC5509A引導(dǎo)加載器將程序代碼引導(dǎo)到外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器中。

閃存按其接口可分為并行與串行。并行通過(guò)TMS320VC5509A芯片的地址與數(shù)據(jù)線與閃存接口。數(shù)據(jù)可以8位或16位。串行閃存通過(guò)I²C或SPI接口與閃存接口。本文以Atmel公司AT25F1024串行SPI閃存芯片，通過(guò)McBSP0（配置為SPI）與TMS320VC5509A接口，作為電測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)引導(dǎo)存儲(chǔ)器，詳細(xì)給出DSP系統(tǒng)串行SPI引導(dǎo)的軟硬件解決方案與實(shí)現(xiàn)方法。

2. TMS320VC5509A與AT25F1024的接口電路

TMS320VC5509A是TI公司推出的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器C5000系列中的一種，TMS320VC5509A通過(guò)增加乘累加MAC單元，增強(qiáng)了DSP的運(yùn)算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前TMS320家族中最省電的芯片。這些特性使之更適合在數(shù)據(jù)速率高、運(yùn)算量大，又要求功耗低的便攜式電測(cè)量中應(yīng)用。AT25F1024是Atmel公司生產(chǎn)的一款應(yīng)用廣泛的高性能256K16位串行SPI閃存。TMS320VC5509A與AT25F1024的硬件電路連接如圖1所示，在SPI模式中閃存始終作為從器件與DSP的McBSP0串口相連，其串行移位時(shí)鐘是輸入，由DSP串口提供。

圖1. TMS320VC5509A與AT25F1024硬件電路連接圖

3.串行Flash芯片在線系統(tǒng)編程方法

將用戶程序代碼裝入Flash的方法有三種，一種方法是要求制造商出廠前掩膜，但無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)階段對(duì)程序進(jìn)行修改或小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的要求；另一種方法是用編程器直接燒寫(xiě)，但Flash芯片正向著小型化、貼片式方向發(fā)展，從而使表貼SOIC封裝的Flash芯片難以用編程器燒寫(xiě)；第三種方法是在線系統(tǒng)編程ISP(In System Program)，這種方法靈活方便，無(wú)需其它編程設(shè)備和外加電源，因而得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)串行Flash芯片的在線系統(tǒng)編程需要考慮兩方面的問(wèn)題，一是Flash芯片的編程燒寫(xiě)方法和規(guī)則，二是DSP芯片Bootloader引導(dǎo)程序所要求的引導(dǎo)表格式。

4.串行Flash芯片的編程燒寫(xiě)

以AT25F1024為例，對(duì)其進(jìn)行操作的部分指令如表1所示。

對(duì)其進(jìn)行燒寫(xiě)操作，要執(zhí)行兩條獨(dú)立的命令。首先，通過(guò)WREN指令使Flash寫(xiě)使能，然后執(zhí)行PROGRAM(編程)指令。編程燒寫(xiě)的時(shí)序如圖2所示,由圖2可以看出，在對(duì)Flash編程的過(guò)程中，首先是CS片選信號(hào)有效(低電平)，然后編程指令(0x0000 x010)、地址和待燒寫(xiě)的數(shù)據(jù)通過(guò)SI引腳傳送，最后，當(dāng)CS片選信號(hào)抬高(高電平)后，芯片內(nèi)部開(kāi)始編程。

表1

圖2

在實(shí)際的編程過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)由于寫(xiě)命令只能將內(nèi)部數(shù)據(jù)位由1寫(xiě)成0，反之則不行。因此，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)前一定要先對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行擦除，將內(nèi)部所有數(shù)據(jù)位置1，否則將會(huì)導(dǎo)致Flash燒寫(xiě)失敗。

(2)編程指令只能對(duì)沒(méi)有被塊寫(xiě)保護(hù)指令保護(hù)的空間進(jìn)行寫(xiě)操作。

(3)CS片選信號(hào)由低到高的跳變要求必須在最后一個(gè)數(shù)據(jù)比特D0傳送完成后，緊跟著的SCK移位時(shí)鐘為低的情況下產(chǎn)生。TMS320VC5509芯片多通道緩沖串口(McBSP)提供的時(shí)鐘停止模式(兼容SPI)即可滿足這種要求。

(4)AT25F1024支持單字節(jié)編程模式和256字節(jié)的頁(yè)編程模式。芯片內(nèi)部每頁(yè)256字節(jié)，一條編程指令可以在一頁(yè)內(nèi)燒寫(xiě)1到256個(gè)連續(xù)的字節(jié)。燒寫(xiě)的起始地址可以在一頁(yè)內(nèi)的任意位置，連續(xù)燒寫(xiě)時(shí)地址自動(dòng)增加，但是當(dāng)?shù)刂返竭_(dá)本頁(yè)的最后時(shí)會(huì)自動(dòng)跳到本頁(yè)首地址。這一點(diǎn)在在線編程燒寫(xiě)時(shí)要十分注意。

(5)在內(nèi)部寫(xiě)操作周期內(nèi)，其它操作命令都將被忽略，但是RDSR(讀狀態(tài)寄存器)指令除外。狀態(tài)寄存器的/RDY位表示芯片內(nèi)部寫(xiě)周期是否就緒。因此，F(xiàn)lash器件內(nèi)部編程就緒與否就可以通過(guò)判斷狀態(tài)寄存器的這一標(biāo)志位來(lái)確定。AT25F1024的狀態(tài)寄存器格式見(jiàn)表2。

表2 AT25F1024的狀態(tài)寄存器格式

Bit0＝0表示器件處于就緒狀態(tài)；Bit0＝1表示寫(xiě)周期正在進(jìn)行中。同時(shí)，在內(nèi)部寫(xiě)操作的周期內(nèi)，Bit0～Bit7全部為1。

5.TMS320VC5509引導(dǎo)表
所謂引導(dǎo)表，就是在DSP芯片上電復(fù)位后由Bootloader從外部存儲(chǔ)器裝入片內(nèi)RAM的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，這個(gè)數(shù)據(jù)塊包括用戶程序的數(shù)據(jù)段和代碼段，還包括程序入口地址、寄存器設(shè)置、可編程延時(shí)等信息。

在用編程器直接燒寫(xiě)的方法中，引導(dǎo)表可由“HEX轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序”(C55x匯編語(yǔ)言工具CCS中自帶的hex55.exe)根據(jù).out文件生成，并直接生成寫(xiě)片文件，再由編程器自動(dòng)寫(xiě)入Flash中。但是在在線系統(tǒng)編程燒寫(xiě)的過(guò)程中，并不考慮.out文件和寫(xiě)片文件中的附加信息，而是直接將符合引導(dǎo)表格式要求的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過(guò)一段獨(dú)立的用戶程序連續(xù)完整的寫(xiě)入Flash中。TMS320C55X系列DSP芯片的引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3.引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)

其中，入口點(diǎn)字節(jié)地址是引導(dǎo)結(jié)束后，用戶程序開(kāi)始執(zhí)行的首地址；32位寄存器配置數(shù)量決定后面有多少個(gè)32位是作為寄存器設(shè)置值或者作為延時(shí)等待；16位延時(shí)標(biāo)志恒為0XFFFF，以區(qū)別于16位寄存器的地址；段長(zhǎng)、段起始地址和數(shù)據(jù)是用戶程序中定義的各個(gè)段的內(nèi)容；最后以32位個(gè)0作為引導(dǎo)表的結(jié)束標(biāo)志。

無(wú)論是用編程器直接燒寫(xiě)，還是在線系統(tǒng)編程燒寫(xiě)，實(shí)質(zhì)上都是要在片外存儲(chǔ)器(如Flash)存放整個(gè)引導(dǎo)表的內(nèi)容。DSP芯片在上電復(fù)位后會(huì)自動(dòng)運(yùn)行ROM中固化的Bootloader引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序會(huì)根據(jù)片外存儲(chǔ)器中存放的引導(dǎo)表的信息，將用戶程序的各個(gè)段引導(dǎo)到片內(nèi)RAM的相應(yīng)位置，然后從入口地址開(kāi)始執(zhí)行。這樣就完成了整個(gè)加載引導(dǎo)的過(guò)程。

6.串行引導(dǎo)的原理及實(shí)現(xiàn)

TMS320VC5509A芯片自帶的Bootloader程序支持11種引導(dǎo)模式，本文所做的工作中根據(jù)片外Flash的特性要求選擇從多通道緩沖串口0(McBSP0)引導(dǎo)、支持24位地址的SPI串行引導(dǎo)模式。

● 模式選擇

VC5509A引導(dǎo)模式的選擇是通過(guò)四個(gè)模式選擇引腳BOOTM[3:0]完成的。BOOTM0～3引腳與芯片的通用輸入輸出引腳GPIO1、2、3、0相對(duì)應(yīng)。這里選擇SPI的引導(dǎo)模式，BOOTM［3:0］＝0001，在實(shí)際的電路連接上是將芯片引腳通過(guò)上拉或下拉電阻接地或接電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

● SPI引導(dǎo)模式

這里首先介紹McBSP的SPI協(xié)議。SPI協(xié)議是一種主從配置的，支持一個(gè)主方，一個(gè)或多個(gè)從方的串行通信協(xié)議。它一般由四個(gè)信號(hào)組成，即串行主方數(shù)據(jù)輸入從方數(shù)據(jù)輸出MISO、串行主方數(shù)據(jù)輸出從方數(shù)據(jù)輸入MOSI、移位時(shí)鐘SCK和從方使能SS。TMS320VC5509A多通道緩沖串口(McBSP)的時(shí)鐘停止模式可以兼容SPI主從協(xié)議。所謂McBSP的時(shí)鐘停止模式是指其時(shí)鐘會(huì)在每次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)停止，并在下次數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)立即啟動(dòng)或延遲半個(gè)周期后再啟動(dòng)。而且，其接收器和發(fā)送器是同步的，CLKX和FSX分別與CLKR和FSR相連。在傳輸過(guò)程中，CLKX和FSX又分別作為SPI中的移位時(shí)鐘SCK和從方使能SS。

這里要說(shuō)明的是，為了滿足SPI模式Bootloader引導(dǎo)時(shí)的要求，從方Flash的使能信號(hào)應(yīng)該由TMS320VC5509A的通用輸入輸出引腳GPIO4提供。在引導(dǎo)開(kāi)始時(shí)IO4變低，當(dāng)引導(dǎo)過(guò)程結(jié)束后IO4抬高。因此，在編程燒寫(xiě)的時(shí)侯，就需要人為地對(duì)IO4引腳編程控制，以下三條語(yǔ)句可以控制IO4為輸出，并實(shí)現(xiàn)高低電平變換。

OR #0X0010，PORT(#IODIR) ；GPIO4 用作CS，方向?yàn)檩敵?/P>

OR #0X0010，PORT(#IODATA) ；設(shè)置CS為高電平

AND #0XFFEF，PORT(#IODATA) ；設(shè)置CS為低電平

由于Bootloader最終需要完成的是系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行，因此，在調(diào)試Flash燒寫(xiě)和DSP上電引導(dǎo)時(shí)可編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的測(cè)試程序。例如，可以通過(guò)VC5509A的XF引腳發(fā)送一個(gè)方波，這樣就可以準(zhǔn)確的判斷程序的運(yùn)行情況，程序代碼如下。

SEND：BSET XF ；使XF引腳輸出高電平

RPT ＃99 ；延遲100個(gè)時(shí)鐘周期

NOP

BCLR XF ；使XF引腳輸出低電平
RPT ＃99

NOP

B SEND

7．結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Flash的TMS320VC5509A串行8位引導(dǎo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用串行Flash代替常規(guī)的并行EPROM，大大節(jié)省手持?jǐn)?shù)據(jù)終端器件的電路空間和功耗，方便用戶進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，提高了工作效率，具有很好的實(shí)用性。

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