TMS320VC5402的并行引導(dǎo)裝載方案的研究與設(shè)計

摘要：介紹了TMS320VC5402并行Bootloader的原理，分析了設(shè)計過程中需要考慮的重點問題并提出了解決問題的可靠的電路方案，設(shè)計的電路具有良好的可擴展性。關(guān)鍵詞：TMS320VC5402 Bootloader CPLD EPROM TMS320VC5402（以下簡稱C5402）是德州儀器公司1999年10月推出的性價比極高的定點數(shù)字信號處理器（DSP）。與TMS32054X系列的其它芯片相比，C5402以其獨有的高性能、低功耗和低價格特性，使得一推出就受到業(yè)內(nèi)用戶的歡迎。它大多應(yīng)用在如機頂盒（STB）、數(shù)字無線通信等要求能脫機運行的內(nèi)嵌式系統(tǒng)中。但它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和片內(nèi)掩模的引導(dǎo)裝載(Bootloader)程序與C54X系列的其它DSP處理器有較大差異。C5402為脫機運行提供了五種啟動裝載模式：HPI端口啟動模式、標準串口啟動模式、I/O口啟動模式、串口EEPROM啟動模式和并行啟動方式。對于以C5402為核心的獨立系統(tǒng)中，并口加載方案被認為是最佳的。因為前三種方案只適用于由其它處理器為C5402提供運行代碼的多處理器系統(tǒng)中，后兩種方案雖然都可以適應(yīng)以C5402為核心的獨立系統(tǒng)，但是串口EEPROM啟動模式中只支持價格偏高的SPI端口EEPROM，而并口啟動模式卻可以采用EPROM，而且并行EPROM和FLASH種類很多，有的價格較低，因而可以充分體現(xiàn)系統(tǒng)的性價比優(yōu)勢。 基于實踐經(jīng)驗，本文詳細介紹并行Bootloader的實現(xiàn)方法和方案設(shè)計重點，并介紹一種方便可靠的可擴展EPROM Bootloader方案。1 C5402的Bootloader原理 C5402的Bootloader在系統(tǒng)加電時把外部源程序傳送到內(nèi)部存儲器或內(nèi)部程序空間。它允許程序被存放在外部慢速的存儲器中，并調(diào)到高速的存儲器中運行。這可大大減小C5402內(nèi)部RAM掩模的需要，降低電路設(shè)計的成本。C5402的內(nèi)部ROM中有固化好的加載程序。如果DSP的MP/MC管腳接低，在DSP加電RESET時，程序就從內(nèi)部ROM的FF80H地址開始行運行。在FF80H處，有一條跳轉(zhuǎn)到BOOT程序的指令，執(zhí)行內(nèi)部固化好的BOOT程序。BOOT程序在運行搬移程序之前，首先進行初始化，工作包括關(guān)閉中斷、將內(nèi)部RAM映射在程序/數(shù)據(jù)空間，以及為訪問數(shù)據(jù)和程序空間設(shè)置的七個軟件等待等；然后根據(jù)設(shè)計完成不同方式下程序的搬移。C5402共有上面講述的5種加載方式。這里只討論并口加載方案的設(shè)計，其流程如圖1所示。 在判斷前幾種加載方式無效后，Bootloader從I/O空間0FFFFH處讀取一個16位的程序起始地址。然后根據(jù)這個地址從外部數(shù)據(jù)區(qū)讀入一個字，判斷是否為10AAH。如果是，就采用16位的搬移方式；否則，就判斷讀入的字的低位字節(jié)和下一個地址讀入的字的低字節(jié)組成的16位字。如果是08AAH，就采用8位并行加載方式；否則，就在外部數(shù)據(jù)空間的0FFFFH讀取一個16位的程序起始地址，然后重復(fù)上面的檢測方法。本文采用在外部數(shù)據(jù)空間0FFFFH處存放程序起始地址的方案。 2 方案設(shè)計中需要考慮的重點問題 C5402并口Bootlader需要將映射在數(shù)據(jù)區(qū)的程序由慢速的EPROM搬到快速的RAM中運行，其設(shè)計主要需要考慮三個方面的問題。 2.1 速度匹配問題 C5402的工作頻率可以達到100MHz。一般的并口EPROM是無法可靠工作的，如何使C5402順利裝載而又能使C5402達到最高的工作效率是要考慮的一個重點。 2.2 3.3V和5V混合邏輯設(shè)計 C5402的外圍工作電壓為3.3V，而它的外圍器件包括EPROM一般工作在5V，必須為DSP和外圍芯片設(shè)計一個安全可靠的接口。2.3 高效協(xié)調(diào)地利用空間 如何高效方便地利用存儲空間和I/O端口，例如重新利用并口EPROM在bootloader時占用的數(shù)據(jù)空間、如何協(xié)調(diào)外設(shè)和地址分配等都是需要考慮的問題。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 圖2為一種具有良好擴展性的C5402的Bootloader方案設(shè)計原理圖。 圖中，DVDD為3.3V供電。C5402的時鐘輸入為20MHz，此時系統(tǒng)工作頻率就是CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3組合產(chǎn)生的倍頻系數(shù)和輸入時鐘的乘積。C5402的工作頻率可達到100MHz。雖然C5402在RESET時自動插入7個軟件延時，但這只能滿足較貴的速度不低于70ns的EPROM接口，而一般的EPROM無法可靠工作。為了解決速度匹配問題，利用了C5402的倍頻可以由硬件和軟件兩種方式設(shè)置的特性。在系統(tǒng)加電時將C5402的倍頻選擇為2，即將CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3分別設(shè)置為1、0、0，讓DSP工作在40MHz的頻率，等加載完成之后再通過軟件將C5402的工作頻率調(diào)高到100MHz，使C5402達到最大的工作效率。實驗證明這是可行而且可靠的。 C5402的地址總線和數(shù)據(jù)總線掛有兩個164245，它是TI公司生產(chǎn)的3.3V和5V雙向收發(fā)器，個164245可以看作兩個8位收發(fā)器或一個16位收發(fā)器。它由3.3V和5V雙電源供電，收發(fā)的方向由兩個方向控制端管腳（DIR）控制。它串在地址總線和數(shù)據(jù)總線上，既可為DSP提供驅(qū)動5V數(shù)字電路的能力，也可為DSP提供5V信號讀入的保護。對于地址總線，只是輸出信號，所以將同地址總線相接的164245的DIR信號接高，使其只完成從3.3V到5V的轉(zhuǎn)換。使用164245，總線就可以為擴展的多個外設(shè)提供可靠的接口，解決了3.3V和5V混合邏輯設(shè)計問題。 EPM7032用來提供整個系統(tǒng)需要的組合邏輯。它屬于MAX7000系列，是Altera公司的基于第二代MAX結(jié)構(gòu)的CPLD，可提供多達5000個可用門和在系統(tǒng)編程。其引腳到引腳延時快達5ns?？梢匀菁{各種各樣的獨立的組合邏輯和時序邏輯功能。所有的驅(qū)動器均能配置在3.3V和5.5V電壓下工作，允許用于混合電壓系統(tǒng)中。EPM7032為Bootloader提供的內(nèi)部組合邏輯電路如圖3所示。 EPROM采用NS公司或ST公司的27C256。EPM7032的ROMCE接EPROM的CE管腳，使其映射在DSP的C000H-FFFFH的數(shù)據(jù)空間。DIR控制16245的轉(zhuǎn)發(fā)方向。EPM7032共有36個I/O引腳可供編程使用，剩余的管腳可以用來接入PS、IS等管腳，方便系統(tǒng)擴展存儲空間和外設(shè)。它同時方便了系統(tǒng)的調(diào)試，修改時只需重新編程，不用修改硬件電路，且延時非常小?？梢苑奖愕赝瓿蓞f(xié)調(diào)外設(shè)和存儲空間的工作。 對于如何在Bootloader后釋放EPROM占用的數(shù)據(jù)空間，可以通過軟件可設(shè)置管腳XF解決，只需簡單修改內(nèi)部邏輯電路，如圖4所示。RESET時，XF被置高，使EPROM能夠映射在數(shù)據(jù)空間。RESET完成之后，可用軟件設(shè)置XF為低，使CE輸出的片選無效，從而讓EPROM讓出數(shù)據(jù)空間。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 測試程序設(shè)計 由于Bootloader需要完成的是系統(tǒng)的脫機運行，因此可用一個簡單可靠的測試程序驗證硬件是否已經(jīng)協(xié)調(diào)工作。下面是一個可行的方法，通過設(shè)置XF的電平高低，讓XF輸出不同頻率的方波，或者在XF管腳外接一個發(fā)光二極管，就可以直觀的看到系統(tǒng)有沒有協(xié)調(diào)工作。 test:nop rsbx,1,13 /*將XF管腳置為低電平*/ call delay /*調(diào)用延時子程序*/ ssbx 1,13 /*將XF管腳置為高電平*/ call delay /*調(diào)用延時子程序*/ b test /*循環(huán)運行*/ 4.2 系統(tǒng)設(shè)置程序 加載完成之后，需要半DSP的頻率調(diào)高，使DSP能高效運行。實際上就是用軟件改變DSP內(nèi)部的PLL來改變倍頻系數(shù)。因為PLL是模擬的，在它鎖定之前需要一定的鎖定時間，在鎖定時間內(nèi)DSP不能使用PLL模式，必須把它調(diào)整到DIV模式。下面就是方案系統(tǒng)設(shè)置部分的子程序。 .mmregs vCLKMD:.set 0x4007 /*5倍頻的CLKMD值*/ .global sinitCLKMD .sect "initCLKMD" sinitCLKMD: cmpm CLKMD,#0x1007 /*測試DSP是否工作在2倍頻*/ nop bc lretest,ntc stm #0h,CLKMD /*將CLKMD寄存器設(shè)置為二分頻，即關(guān)閉倍頻電路*/ test: ldm 58h,A /*下面程序讀取CLKMD的PLLSTAUS值 AND #0001h,A 如果PLLSTAUS值為0，則DIV狀態(tài) Bc test,aneq 設(shè)置成功。為1，等待再檢測*/ Stm #vCLKMD,CLKMD /*將CLKMD設(shè)置為5倍頻，DSP工作在100MHz/ Rpt #256 /*等待C5402工作頻率穩(wěn)定*/ Nop EinitCLKMD: Ret .end5 將軟件裝入EPROM 要使在系統(tǒng)調(diào)試的程序能夠脫機裝載，需要hex500.exe把*.out文件轉(zhuǎn)化為*.hex。一個名稱為main的轉(zhuǎn)換文件（CMD文件）例子如下： syw.out /*syw.out是在系統(tǒng)調(diào)試生成的out格式的文件名。*/ -i /*-i選項決定了輸出文件的格式*/ -memwidth 8 /*-memwidth選項決定產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的位寬度，根據(jù)使用的EPROM具體情況設(shè)定，這里選8。如果采用16位的EPROM則應(yīng)該為16*/ -romwidth 8 /*-romwidth選項決定于存儲數(shù)據(jù)的EPROM的位寬度*/ -boot /*-boot選項用來說明產(chǎn)生一個boot表示*/ -bootorg 0xc000 /*-bootorg選項說明加載信息在DSP數(shù)據(jù)空間中的起始位置*/ -e 0080h /*-e選項時程序中斷向量的入口點*/ -o syw.hex /*-o產(chǎn)生的文件的文件名。*/ 在DOS環(huán)境下執(zhí)行Hex500 main.cmd就可以完成轉(zhuǎn)換。對應(yīng)上面的地址分配，在燒錄時同時在EPROM的7FFEH和7FFFH處燒處C000H的值。 6 方案性能分析 從上面的分析可以看出，方案實現(xiàn)方便可靠。但是采用外部并行BOOT方式時，BOOT的尋址區(qū)是在數(shù)據(jù)區(qū)，因而最大的范圍是3FFF～FFFFH，共48KPB。而采用8位的EPROM，最大的程序代碼長度僅為24K字。如果程序超過了48K字，只能采用另外的替代方法。這是在一些電路方案論證時需要考慮的問題。