TMS320VC5402的HPI对DSP进行自举

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。单DSP的系统尽管结构简单，但系统的功能将不可避免地有所限制。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
　　增强型HPI（HPI-8） 标准HPI
　　可访问所有片内RAM空间 可访问所有片内2K的RAM空间
　　HOST访问总是与TMS32054x时钟同步 HOST-Only模式下HOST访问与TMS320C54x时钟同步
　　HOST和TMS320C54x都可访问片内RAM HOST-Only模式，HOST具有独占的访问权
　　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。
　　3 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。