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作为DSP 芯片与外界交换数据的重要关口,外扩存储器接口的优劣程度直接影响着DSP 的适应性和控制功能,同时,高性能、灵活性强的外部存储器接口也是利用DSP 搭建图像采集处理系统的重要保证。基于上述原因,本文提出了一种基于CPLD 的VC5402 存储器扩展方案,此方法具有接口灵活、调试方便的优点。
图像采集处理系统中资源的配置情况
为了更方便地了解VC5402 与外部存储器的接口设计,本文首先介绍在设计的图像采集处理系统中VC5402的资源配置状况。
VC5402 有3 个比特位(MP/ MC # ,OVL Y,DROM)共同影响着存储器的结构,用户可以根据需要修改PMST的值来配置存储空间。
本文采用了微处理器模式,设置MP/ MC # = 1 ,片上4 k 字的ROM 不映射到程序区,即ROM 不可访问。设置OVL Y= 0 ,片内16 k 字的RAM 不映射到程序存储器,使64 k 字的程序存储空间全部配置成外部存储器,利用2 片SRAM(记为SRAM1 ,SRAM2) 存放采集到的图像数据。
DSP 每执行一次复位,都将DROM 清零,在系统中没有改变该比特位的设置, 这样使得数据存储空间的低48 k 字全都对应外部存储器,其中低32 k 字空间映射为外挂FLASH ,用来存放引导程序、中断矢量表和用户代码等内容,其他16 k 字的空间映射为SRAM(记为SRAM3)用来存放数据处理的结果。
对于扩展程序存储空间、扩展数据存储空间所需要的时延可以通过软件编程的方法对DSP 的等待状态寄存器(SWWSR) 进行设置,使之达到最快速度。这样就避免了使用硬件进行握手通信,简化了接口的设计。
程序存储器的扩展
系统中实际采集到的图像数据量大约有1 M ×8 b ,而VC5402 的数据空间只有64 k 字,并且VC5402 内部具有16 k 字的随机存储器和4 k 字的只读存储器,远远不能满足存储要求,因此需要将数据空间扩展到1 MB才能实现图像数据的存储。由于VC5402 的程序空间可以扩展到1 M ×16 b ,而且具有专门访问扩展存储器的指令。考虑到数据空间扩展的复杂性,我们将采集到的图像数据直接存放在扩展的程序空间中。系统中选用两片SRAM( IS61LV5128AL–12) 用来存放原始数据,IS61LV5128AL–12 芯片是512 k ×8 b 的高速CMOS 静态存储器,存取速度为12 ns。
两片存储器接口的实现方案设计如图1 所示.其中SRAM-CE1 ,SRAM-CE2 ,OE ,WE分别为2 片SRAM 的片选信号、读使能信号、写使能信号,这些逻辑组合是通过CPLD 实现的。仿真波形图如图2 所示。
进行程序空间扩展时,DSP 地址线的A (0) ～A (19)位都是有效的。VC5402 的程序空间被组织为16 页,每页64 k 字。内部64 k 字的程序空间可以直接访问,当访问超过64 k 字的程序区时,DSP 并不能提供直接访问XPC寄存器的指令(程序空间是按页进行管理的,页地址放在XPC 寄存器中) ,这时使用WRITA 和READA 这两条指令可以对高端程序空间进行访问,要么把数据空间的数据送到程序空间,要么把程序空间的数据送到数据空间,采用累加器寻址方案才能影响XPC 寄存器的值。
这种方案的优点在于:不用进行数据区的扩展,直接利用VC5402 可扩展的程序区,简单方便。
数据存储器空间的扩展
脱机运行是此系统最主要的特点,所以必须考虑到存放脱机程序这一问题。在采集处理系统中,将存放程序的FLASH 映射在VC5402 的数据空间,由于图像处理算法的复杂性,只靠VC5402 的数据空间难以满足需求,因此需要对VC5402 进行数据空间扩展。
系统中选用了FLASH 存储器SST39VF400A ,该芯片的容量是256 k ×16 b ,他是一种低电源电压芯片,工作电压为3. 3 V ,速度是70 ns ,能和VC5402 实现无缝接口,数据保存时间超过100 年,他具有容量大、掉电后数据不丢失、可在线快速读写、可整片或者分页擦除等特点,同时由于其内部已经固化了相应的程序,使用时只需向特定的地址写入特定的命令字序列,这样使得SST39VF400A 的读写操作非常简单灵活。
另外,扩展了64 k ×16 b 的SRAM( SRAM3 ,型号为CY7C1021) 用来存放数据处理的结果,映射到VC5402 的外部数据空间。CY7C1021 除了电源和地以外,还有几个关键信号引脚如CE # ,WE # ,OE # ,BL E ,BHE 等。BL E决定该芯片的低字节是否有效,即数据位的低8 位是否有效,而BHE 则决定芯片的高字节(高8 位) 是否有效,引脚为低电平时有效。因为VC5402 的数据线为16 位,即其所用的寄存器和存储器都应该是16 位, 所以应该将CY7C1021 的高低字节都使能,使其有效,将BHE ,BL E 通过360 Ω的电阻接地。
VC5402 的真正I/ O 引脚只有2 个BIO # 和XF ,而且是单向的,这样他的I/ O 引脚太少,满足不了设计的要求。本方案将VC5402 的数据总线D[ 0 :2 ]扩展为通用I/ O 口来弥补I/ O 口的不足。数据空间扩展的具体方法: 将CPLD 作为DSP 的1 个I/ O 口,DSP 的数据线D[ 0 :2 ] 接至CPLD 的输入端。当DSP 的I/ O 选通信号IOSTRB #和IS # 有效时, DSP 通过这个I/ O 向CPLD 写数据D[ 0 :2 ] ,在CPLD 内部进行逻辑组合,完成数据锁存,等到数据选通信号有效时,将锁存的数据输出,产生分页信号Page[ 0 :2 ] ,分别接在FLASH 和SRAM3 的高端地址上。
要访问扩展的数据空间,必须通过CPLD 产生的页信号进行选择。256 k ×16 b 的FLASH 被组织为8 页,每页为32 k字长,信号Page2 , Page1 , Page0 负责对FLASH 各页进行选择。64 k ×16 b 的SRAM3 被划分为4 页,每页为16 k字长,信号Page1 , Page0 负责对各页进行选择。在Flash中,每页的32 k 字被映射到数据空间的08000 H ～0FFFFH 区域;在SRAM3 中,每页的16 k 字被映射到数据空间的04000 H～07FFFH。页信号产生的程序如下:
CPLD-CS < = DSP-IS OR (NOT DSP -A7) ;
CPLD-CS-IO < = CPLD-CS OR DSP-RW
OR DSP-IOSTRB ;
CPLD-CS-M < = DSP-DS OR DSP-MSTRB
OR DSP-RW;
PROCESS(CPLD-CS-IO ,CPLD-CS-M)
BEGIN
IF CPLD-CS-IO =′0′THEN
QQ < = DSP-D ;
END IF ;
IF CPLD-CS-M =′0′THEN
Q < = QQ ;
END IF ;
END PROCESS ;
认真分析了本方案中VC5402 数据存储空间的分配特点后,使用VC5402 的DSP A15 和数据选通信号DS #的逻辑组合来选通FLASH 和SRAM3 ,具体的连接如图3所示,其转换逻辑由CPLD 编程实现。
外扩FLASH 和SRAM 的读写控制信号的逻辑也是在CPLD 中实现的,数据存储器扩展所需控制信号的仿真波形图如图4 所示。
对FLASH 空间的某一地址进行访问时,应分为以下几步:
首先,解析该地址,进行地址分割,低15 位为页内地址,高3 位作为页选择地址;
其次,把页选择地址用PORTW 命令送到所分配的I/ O空间PA 中,等选通信号使能后,页地址就在所选存储器的高端地址线上;
最后,使用访问数据的指令。由于VC5402 的数据是16 位的,因此在调用数据指令时,需要16 位的数据。这里,低15 位来自所要访问的地址的低15 位,最高位补零。
要对Flash 存储器的高端进行访问,必须先对CPLD送数。如要寻址70000 H 存储单元时,假定AR3 辅助寄存器指向某一存储单元,CPLD 映射在VC5402 I/ O 空间的地址为PA ,其大致操作如下:
ST # 07H , *AR3
PORTW * AR3 ,PA
这样,CPLD 充当的锁存器将111 这3 位数给锁存住,在选通FLASH 时,将数据111 送至FLASH 的A15～A17端,然后再对DSP 存储器的地址0000 H 进行读写操作即可。
DSP 的扩展I/ O 端口
VC5402 仅有这2 个通用I/ O 引脚往往是不够的,DSP 为了一些特殊的需要提供了多个片上设备,比如3 个多功能串口、HPI 接口等。这些片上设备在系统中并没有用上,因此可以利用DSP 的扩展功能将这些设备的管脚扩展为通用I/ O 端口供系统使用。比如将HPI 端口的8 位并行数据线扩展为8 位I/ O 端口,用来和CPLD 进行通信,这些I/ O 口的扩展是通过对DSP 的相关寄存器进行相应的设置来实现的。
为了实现DSP 和CPLD 之间的交互,将HPI 的数据线用作通用I/ O 端口实现了VC5402 I/ O 口的扩展。HPI数据线扩展为通用I/ O 口的具体方法:在HPI 接口不允许,即在复位时HPIENA 引脚为低电平的情况下,使用2 个存储器映射寄存器(通用I/ O 控制寄存器GPIOCR 和通用I/ O 状态寄存器GPIOSR) 来控制HPI 数据引脚的输入输出。GPIOCR 和GPIOSR 在DSP 的物理地址分别是003CH 和003DH。
如要从扩展的HPI 口输出数据40 H ,需要进行以下3 步操作:
第一步:在复位时,将HPIENA 引脚置为低电平;
第二步:将通用I/ O 控制寄存器GPIOCR 的值设置为0x00FF ;
第三步:将通用I/ O 状态寄存器GPIOSR 的相应位设置为01000000 ,即40 H。
实现的程序代码如下:
STM # 0x003C ,AR3 ; 选中控制寄存器
ST # 0x00FF , *AR3 ; 将HPI数据端置为输出状态
STM # 0x003D ,AR3 ; 选中状态寄存器
ST # 0x0040 , *AR3 ; 输出数据40H
结 语
利用CPLD 实现VC5402 的存储器空间扩展,大大简化了硬件电路的设计,编程灵活;调试时,只需对CPLD 电路进行调试,简单方便,此方案可以推广到其他便携式图像采集处理系统的存储器扩展中。 |
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