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基于CPLD译码的DSP二次Bootloader方法

基于CPLD译码的DSP二次Bootloader方法

随着数字信号处理技术的快速发展,数字信号处理器(DSP)越来越广泛地应用于各种实时嵌入式系统中。当系统调试完毕,想脱离仿真环境并在上电复位后自动启动程序代码运行时,必须将程序代码存储在非易失性存储器中。Flash存储器以其大容量和可在线编程等特点已成为DSP系统的一个基本配置。在系统上电复位后,DSP芯片内部固化的引导装载器(Bootloader)把应用程序从Flash引导到DSP芯片内高速 RAM中执行。这样既利用了外部存储器扩展DSP有限的ROM资源,又可以充分保证用户程序的全速运行[1-2]。

本文采用德州仪器公司的16位定点DSP芯片TMS320VC5509A(以下简称5509A),其PGE封装形式只有14根地址总线(A0~A13),最大只能寻址16KB的Flash存储器[3]。若要寻址更大地址空间,就需要控制Flash存储器的高位地址线。常见的解决方案是采用DSP的通用输入输出GPIO(General Purpose Input/Output)引脚来控制Flash的高位地址线,从而实现Flash存储器的分页访问[5-6]。然而,对于较大容量的Flash存储器,如本文采用的Am29LV800的容量为512K×16bit,有19根地址线[4],如果采用上述方法,硬件连接虽然简单,但会占用较多的GPIO引脚,而且以后的系统扩展也不方便。本文介绍了一种基于CPLD快速译码的DSP二次引导方法,利用CPLD的时序严格、译码速度快、可在线编程等特点,在 DSP的外部存储器接口EMIF(Exteral Memory Interface)的CE2空间模拟了一个Flash换页寄存器FPR(Flash Page Register),在上电复位后控制Flash的高位地址线,从而实现Flash的分页访问。因此,可通过二次bootloader程序修改FPR的值,控制Flash的高位地址线,将最终的应用程序加载到RAM中运行。

1 TMS320VC5509A的并行引导模式

1.1 5509A的引导模式

5509A的引导模式选择是通过4个模式选择引脚BOOTM[3:0]来配置的,BOOTM3~0引脚分别与GPIO0、3、2、1相连。5509A提供了六种引导模式,即EHPI引导模式、8位/16位并行EMIF引导模式、8位/16位标准串行口引导模式、SPI EEPROM引导模式、USB引导模式以及I2C E2PROM引导模式。本文采用16位并行EMIF引导模式,将BOOTM[3:0]设置为1011即可。

在16位并行EMIF引导模式下,DSP芯片内部固化的Bootloader程序上电复位后,首先从CE1空间首地址0x200000h处开始读取程序代码,并加载到RAM中运行。
1.2 5509A的引导表格式

程序代码以引导表的格式存储在Flash存储器中。引导表是独立于所选引导模式的一种特定的格式,包含了用户程序的代码段、数据段、段在RAM中的目标地址以及程序入口地址等其他相关信息。5509A引导表结构如表1所示。




DSP芯片内部固化的Bootloader的主要功能是将Flash中存储的引导表按一定顺序加载到 RAM中,然后跳转到32位程序入口地址开始执行。引导表文件可以通过TI公司提供的16进制转换工具生成,一般是hex格式,然后将此hex文件烧写到 Flash存储器中供Bootloader加载。

2 DSP二次Bootloader的原理及实现

由上述分析可知,DSP用户程序的并行加载过程是由DSP内固化的Bootloader实现的。由于5509A的PGE封装只有14根地址线,最多只能访问到16K×16bit地址空间。对于超过16KB的用户代码,Bootloader将不能加载全部的引导表文件。因此若要加载超过16K的用户代码,必须进行二次Bootloader。

二次Bootloader的原理是由用户自行编写一个代码长度小于16KB的引导程序(以下简称 uboot),其功能与DSP内固化的Bootloader相同,用于加载最终的用户代码。在uboot程序中控制Flash存储器的高位地址线来访问 Flash的其他存储内容。这样,DSP上电复位后,Bootloader首先加载uboot并运行,然后uboot又加载最终用户代码,实现了大于 16K代码的二次引导。

2.1 DSP与Flash及CPLD的硬件接口

本文采用AMD的 Am29LV800作为DSP的外部存储器扩展。Am29LV800按8位方式访问,容量为1M字;按16位方式访问,容量为512K字。DSP外围电路逻辑译码及Flash高位地址线模拟由CPLD实现。Xilinx公司的XC9572XL是一款高性能的CPLD芯片,最高主频可达178MHz,包含了 72个宏单元,1 600个可用门电路,其TQFP封装有72个可用I/O引脚[7]。图1是5509A与CPLD及Flash之间的硬件接口设计原理图。



如图1所示,5509A的地址线A[13:1]与Flash的地址线A[12:0],A0未用。Flash存储器被映射到DSP的CE1空间,由片选线CE1经CPLD译码后选通。其中DSP的地址线A13和A[3:1]与CPLD接口,用于换页寄存器FPR的模拟。Flash存储器的BYTE引脚经上拉后接高电平,即按16位方式访问。
2.2 CPLD译码VHDL程序设计

目前DSP系统主频越来越高,运算速度越来越快,利用小规模逻辑器件译码的方式已不能满足DSP系统性能的需求。CPLD器件以其严格的时序、快速的译码、良好的可编程性成为DSP系统必不可少的部件之一。

本文利用CPLD的快速逻辑译码功能,模拟了一个FPR寄存器来控制Flash的高位地址线。VHDL语言源程序如下(篇幅有限,这里省略实体端口声明及中间信号定义):

begin
  fce  <=ce1;
  foe  <=aoe;
  fwe  <=awe;
  h_addr <=a13;
  l_addr <=a3&a2&a1;
  datain <=d5&d4&d3&d2&d1&d0;
  facs  <=′1′ when h_addr=′1′
      and ce2=′0′ and l_addr='000'
     else ′0′;  --CE2 0x400000
  FPR:process(facs,awe,reset)
  begin
   if reset=′0′ then
      fa<=″000000″;
    else if reset=′1′ then
      if awe′event and awe=′1′ then
          if facs=′1′ then
                  fa<=datain(5 downto 0);
                  end if;
         end if;
  end if;
end process;
dataout<=fa  when aoe=′0′ and facs=′1′
         else ″ZZZZZZ″;
  d5   <=dataout(5);
  d4   <=dataout(4);
  d3   <=dataout(3);
  d2   <=dataout(2);
  d1   <=dataout(1);
  d0   <=dataout(0);
  fa18   <=fa(18);
  fa17   <=fa(17);
  fa16   <=fa(16);
  fa15   <=fa(15);
  fa14   <=fa(14);
  fa13   <=fa(13);
end  behaviour;

由上述VHDL程序可知,FPR寄存器被映射到了CE2空间的0x401000地址。其中引入A13及A[3:1]地址线的目的是为了便于以后的功能扩展,映射出更多的寄存器,如LCD控制寄存器、UART控制寄存器等。

FPR寄存器定义如表2所示。



FPR寄存器的第5~0位分别控制Flash的高位地址线A18~A13,第7~6位无效。当DSP 上电复位时,FPR寄存器的值被设置为全0,此时Flash的所有高位地址线均处于低电平状态,DSP开始访问Flash的最低8KB地址单元。复位结束,就可以对FPR寄存器写入值,改变Flash的高位地址,从而实现Flash的分页访问。这样Am29LV800 Flash的512K字存储空间相当于被划分为64页(0~63),每页8K字,当程序大于一页时,修改FPR,进行软件翻页,读入下一页Flash数据。也可以通过读FPR寄存器,了解当前高位地址线的状态,此时FPR寄存器与Flash的地址映射关系为:

Flash地址单元=(FPR<<13)+DSP地址线A[13:1]

2.3 二次Bootloader的实现

基于上述的设计和分析,要实现大程序的自动引导,可以采用二次Bootloader的方法。首先要设计一个uboot程序,大小不能超过一页。将 uboot程序烧写到Flash存储器的第0页,也就是DSP上电复位后被固化的Bootloader自行引导的那一页。uboot的主要功能是通过修改 FPR寄存器值,并按照引导表的格式读取Flash存储器的其他页程序到RAM中,最后跳转到用户程序的32位入口地址开始执行。uboot程序中,可以定义一个16位无符号整型指针变量,指向CE2空间的0x401000地址,即:

  unsigned int*FPR=(unsigned int*) 0x401000;

若*FPR=1,即可以访问Flash的第1页。

在编写uboot程序和用户程序时,要对存储器空间重新分配,即在定义CMD文件时,要注意用户程序所占用的存储空间不能与uboot程序占用的存储空间重叠。因为uboot首先被加载运行,在运行时加载用户程序,也需要占用RAM地址空间。而且uboot程序代码长度不能超过一页。当烧写Flash时,必须将uboot程序烧写到Flash的第0页,然后将用户程序烧写到第一页或以后的存储空间中。

3 实验结果

以煤矿井下煤矸分界传感器为例,测试本文介绍的基于CPLD译码的DSP二次Bootloader方法。该传感器采集放煤时煤矸石振动信号,经AD转换后送入DSP经数字信号处理,分析得出煤矸石放落比例[8]。用户程序代码大小为23K字左右,显然不能够被固化的Bootloader正常加载,因此必须经过二次Bootloader。

将大小约2K字的uboot程序烧写到Flash第0页,用户烧写到第1~3页。经多次测试,该系统从上电复位到开始运行用户程序,耗时大约0.3s,而且系统运行稳定可靠。

本文介绍的基于CPLD快速译码的DSP二次Bootloader方法,利用CPLD器件的快速译码功能,模拟了一个换页寄存器,实现了大程序的上电后二次引导。与常见的利用GPIO换页的方法相比,本方法更有效,通用性更好,不会占用宝贵的GPIO资源,而且系统扩展方便,接口简单。
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