HPI接口在TI SOC的应用 处理器, 寄存器, 接口, 空间, 主机

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简介　　HPI接口是TI为处理器之间直接互连通讯定义的一种异步接口，大多数TI DSP芯片上都有HPI接口。HPI接口是从（Slave）端口，接在主机的扩展内存总线上，DSP不能通过HPI向主机（Host）的访问，只能被主机读写。两个DSP的HPI接口之间不能通讯。两个DSP之间互连，可以将一个DSP（从）的HPI接到另一个DSP（主）的扩展内存接口（EMIF）上［1］。
　　1. HPI工作模式
　　不同系列DSP上的HPI接口版本有所不同，区别体现在DSP对HPI的控制上，如C6727上的UHPI可通过寄存器使能与关闭HPI接口，对主机访问DSP内存空间的控制，以及对HPI接口信号的功能复用上。但从主机访问的角度，HPI的工作模式分为：复用模式（Multiplexed-Mode）和非复用模式（Non-multiplexed-Mode）。
　　复用模式下没有地址线，主机访问DSP的地址信息是以数据方式送到HPIA（HPI地址寄存）。从硬件信号的角度，地址，数据信号是由同一组数据线传递，所以称为复用模式。
　　非复用模式的数据线与地址线是分开的，与内存接口连接相似。非复用模式不需要操作HPIA寄存器，主机访问的地址信息通过地址总线直接送给HPI.
　　所有的HPI接口都支持复用模式，但不是所有芯片的HPI接口都支持非复用模式（参考相应的芯片手册确定是否支持）。除了有无HPIA的操作区别外，两种模式的操作没有区别。因为非复用模式的操作是复用模式操作的子集，为方便起见，本文以复用模式展开讨论。
　　2. HPI硬件信号连接
　　HPI接口复用模式连线如图1所示，根据在应用当中的必要性分为：必要的，和可选的两组信号。可选的信号以虚线表示。

图1. HPI接口复用模式硬件连接
　　数据线HD［0:n］：在复用模式下，数据线的宽度一般为CPU位宽的一半，一个HPI访问分为高低半字的两次访问，如C5000是16-bit CPU，HPI数据线为8位，C6000是32-bit CPU，其HPI数据线为16位。C64x系列的HPI支持32位，在32位模式下一个HPI访问不需要分为高低半字两次访问组成一个完整的访问。
　　HCNTL0/1，HWIL:HCNTL0/1选择要访问的HPI寄存器，HWIL控制访问寄存器的高低半字，必须先高后低。一个寄存器的高低半字的两次访问一定要连续完成，中间不能插入其它的HPI操作。只有HPIC可以只访问半个字。
　　HR/W：指示对HPI寄存器进行读，还是写操作。如果主机的读，写信号是分开的，可以利用其中一个信号，但要注意做上拉或下拉处理以控制其在三态时的电平。
　　HCS，HDS1/2：这三个信号根据图2的逻辑产生内部HSTROBE信号，其逻辑关系是要求HDS1和HDS2信号相反，HCS低有效。HSTROB下降沿的时间点反应的是三个信号中最后跳变的信号。HPI在HSTROB的下降沿采样控制信号HR/W，HCNTL0/1，HWIL以判断主机要对哪个寄存器进行读，或者写操作命令。注意控制信号在HSTROBE的下降沿之前需要最少5ns的setup稳定时间，而HDS1/2和HCS到HSTROBE信号内部门电路的延时是皮秒级的，所以控制信号的setup时间需要外部时序保证。

图2. HSTROBE信号产生逻辑
　　HRDY:HPI的输出信号，指示当前操作状态，用做硬件流量控制握手信号。
　　HINT：通过HPI，主机与DSP之间可以互发中断。HINT是HPI送给主机的中断信号，DSP对HPIC［HINT］位写1，HINT信号线上送出高电平信号，主机可利用此信号做为中断信号输入。DSP不能清除HPIC［HINT］状态，主机在响应中断后，需要对HPIC［HINT］位写1清除状态，DSP才能再次对HPIC［HINT］置位发中断。主机通过写HPIC［DSPINT］置1给DSP产生中断，DSP在响应中断后，需要对HPIC［DSPINT］写1清除状态，主机才能继续操作HPIC［DSPINT］给DSP发中断。通过HPI传输数据，结合互发中断做为软件层的握手信号，可有效提高通讯的效率与灵活性。

ALE：存在于地址，数据线复用的主机上用来指示地址信号周期，这种总线复用的主机很少见，所以通常将ALE固定上拉处理，只用HSTROBE采样控制信号。
　　BE:Byte Enable信号，这个信号只出现在32位的C6000 DSP上。因为应用当中通常都是对整个32-bit字进行访问，所以直接做上拉使能处理。
　　3.HPI寄存器地址映射
　　HPI口提供给主机端访问的寄存器只有4个，通过HCNTL［1:0］选择。

表1. HPI寄存器访问选择

　　由于在复用模式下数据线通常只有寄存器宽度的一半，所以一个完整的数据访问由高低半字两次访问组成，由HWIL信号控制，HWIL信号必须是先低后高。通常将HWIL和HCNTL［1:0］接在主机的地址线上，将4个寄存器映射为主机端的8个内存单元，下表中的地址线连接方法将8半字寄存器映射到主机的8个连续的内存单元。这里的地址线是用来选择HPI的寄存器，与非复用模式下的地址线直接访问DSP的内存空间是完全不同的作用。

表2. HPI寄存器地址映射

　　4. HPI寄存器功能说明
　　HPIC （HPI Control Register）
　　HPI控制寄存器HPIC的位图如表3所示，C6000系列DSP的HPI寄存器是32位的，也只有低16位有效，与C5000系列DSP的HPIC寄存器定义的功能保持一致。不同版本的HPI接口的HPIC位定义的主要不同之处在于软件握手HRDY位的有无，其它位名称可能存在细小差异，但功能定义都是一样的。

表3. HPI Control Register

　　主机在对HPI进行访问前可以通过HPIC配置字节序（HWOB）和地址寄存器模式（DUALHPIA）。默认的配置为HWOB=0，即先访问高半；DUALHPIA=0，即单地址寄存器模式，读和写操作使用同一个HPIA;通常都采用默认的HPIC寄存器配置。
　　HWOB与硬件信号HWIL是没有联系的，HWIL信号必须保证先低后高分别访问两个半字单元。至于先访问一个字当中的高或低半字，是由HWOB控制的。
　　HPIA （HPI Address Register）
　　物理上存在HPIAR，HPIAW两个地址寄存器。HPIAR是读操作地址寄存器；HPIAW是写操作地址寄存器。由HPIC的DUALHPIA位来决定是采用双地址寄存器模式还是单地址寄存器模式。如果采用双地址寄存器模式，在对HPIA操作之前，通过设置HPIC的HPISEL位选择下一个要访问的HPIA.通常为了简化在读写操作转换时对HPIC的操作，选用单地址寄存器模式。
　　HPIA的地址信息在不同系列DSP上有所不同：
　　在C5000上，数据空间，I/O空间只能按16位字寻址，程序空间按字节寻址。HPI的DMA访问属于I/O空间，HPIA的值代表16位字地址。如主机端要访问DSP内存字节地址0x100， 则要往HPIA写的地址值是0x80.在用HPI启动时，要注意DSP代码是按字节地址链接的，即代码段的地址是字节地址，主机端要将代码段的地址信息除以2再送到HPIA.
　　在C64上，HPIA的值代表字节地址，但是HPI访问的数据是32位的，所以HPI会忽略HPIA地址值的低两位。
　　在C64+的DSP上，HPIA代表32位字地址，HPI会将字地址左移两位转换成字节地址，主机若要访问DSP字节地址0x100，则要赋值HPIA为0x40.
　　HPID （HPI Data Register）
　　主机通过HPI对DSP的内存访问是间接访问，主机只能访问HPID，HPID与DSP内存之间是通过HPI专属的DMA进行数据搬运的。如图3所示。

图3. HPI读写数据流

HPID的访问分为自增模式和非自增模式。在自增模式下，访问HPID后，HPIA会自动增加指向下一个字地址，在连续访问时，自增模式因为减少了主机对HPIA的操作，可以增加HPI数据访问的吞吐率。非自增模式下访问HPID后，HPIA的值保持不变，主机需要更新HPIA来访问下一个地址。
　　在写操作时，主机把数据写到HPID，HPI将第二个半字的数据通过HSTROBE的上升沿锁存到HPID后，将HRDY置为忙状态，并启动HPI DMA将HPID的内容搬到HPIA所指向的内存单元，然后清除HRDY指示可以进行下一次操作。
　　在读操作时，在第一个HSTROBE的下降沿，HPI采样到HR/W为读命令，则将HRDY置为忙状态，启动HPI DMA将HPIA指向的内存单元的数据搬到HPID，清除HRDY忙状态，主机端方可结束总线访问周期，锁存数据线上的有效数据。
　　5. HPI操作流程
　　主机对HPI的一次总线访问周期为分三个阶段：主机发起访问，HPI响应，主机结束访问周期。
　　A. 主机发起访问：即对HPI寄存器的读，或者写命令。主机送出的硬件信号为HSTROBE（由HCS， HDS1/2产生），HR/W，HCNTL0/1，HWIL，以及HD［0:n］.HPI在HSTROBE的下降沿采样控制信号HR/W，HCNTL0/1，HWIL判断主机的操作命令。
　　B. HPI响应：HPI在HSTROBE的下降沿采样控制信号，根据控制信号做出相应的响应。如果是写（HR/W为低）命令，则在HSTROBE的上升沿将数据线上的信号锁存到HCNTL0/1和HWIL指向的寄存器。如果是读命令（HR/W为高），如果是读HPIC，或者HPIA寄存器，HPI将寄存器的值直接送到数据总线上；如果读HPID，HPI先将HRDY置为忙状态，HPI DMA将数据从HPIA指向的内存单元读到HPID，再送到数据线上，并清除HRDY忙状态，在读HPID后半字时，数据从寄存器直接送到数据总线上，不会出现HRDY信号忙状态。
　　C. 主机结束访问周期：对于写操作，主机将数据送出后，只要满足芯片手册中HPI对HCS的最小宽度要求，即可结束访问周期。对于读HPID操作，要等HRDY信号由忙变为不忙，主机才能结束访问周期。
　　a） 两次连续的HPI操作的间隔，在芯片手册的HPI时序参数表里有要求，最小间隔为两个HPI功能模块时钟周期。
　　6. HPI常见故障案例分析
　　在HPI应用调试过程中，常遇到的问题分为：写数据不成功，读数据不正确，HRDY常高。这些问题通常都是由于时序不正确造成的，下面结合实际应用当中的案例进行分析。
　　6.1 写数据不成功
　　案例的硬件连接如下：

硬件连接
　　首先关注核心信号HSTROBE由DSP_CS，ARM_WR（HDS1），ARM_RD（HDS2）产生，从下面时序图可以看出ARM_WR的下降沿是最后产生的，所以写操作时HSTROBE的下降沿反应的是ARM_WR的下降沿。
　　写HPIC的时序截图如下：

写HPIC\HPID的时序截图
　　两个时序图显示主机送出的数据111b在HSTROBE（ARM_WR）的下降沿后，很快被改变成其它值000b.在写HPID的时序截图中，第一个HSTROBE的下降后，HPI送出HRDY信号，然后数据线被改变，首先判断HPI对主机的命令做出了响应，通过HRDY信号的出现时机，说明HPI判断这是一个读操作，可以判断为HSTROBE的下降沿采样HR/W信号不正确。
　　从硬件连接来看，HSTROBE（HR/W）要采样HR/W，HCNTL0/1来判断主机命令， HR/W的与HSTROBE为同一信号源，且同为下降沿，HR/W与HSTROBE的下降沿之间的setup时间不够，采样HR/W的电平状态出现误判，认为是高电平读命令，HPI对读命令的响应则是在第一个HSTROBE的下降沿之后送出HRDY信号，并在HRDY之后，HPI送出数据到总线上。
　　对于该问题，需要对参与HSTROBE逻辑译码的HR/W信号的下降沿做延时处理，可在逻辑电路如CPLD或FPGA里实现，以确保HSTROBE的下降沿采样到稳定的HR/W电平。

        6.2 读数据不正确
　　通常表现为读读HPIC，HPIA正常，但读HPID不正常，前半字为0，后半字正确，对同一个地址读两次，第二次的数据完全正确。
　　在案例中，用示波器观察HCS与HRDY之间的时序关系，发现HCS的上升沿在HRDY的上升沿之前，即主机在HPI数据有效之前结束了访问周期。HRDY的上升沿其实是因为HCS的结束而拉高的，并非数据真正有效。


示波器观察HCS与HRDY之间的时序关系
　　用户由于没有在硬件上将HRDY与主机PowerPC的TA信号互连，没有硬件握手机制，于是从软件配置上加大主机的总线访问周期，即增加HCS的宽度，故障现象没有变化。
　　原因分析：读HPID与HPIC，HPIA时序不同，读HPID操作需要HPI DMA从HPIA所指向的地址读数据到HPID，会有时间上的延时。而读HPIC和HPIA直接从寄存器读数据，没有延时，所以读HPIC，HPIA是正确的。在读HPID时，HPI会在第一个HSTROBE的下降沿后将HRDY置位，指示数据未准备好的忙状态，主机应当在总线上插入等待周期，数据准备好后HPI清除HRDY，主机才可以结束总线周期，通过HCS的上升沿将有效数据锁存。
　　HSTROBE的下降沿到数据有效之间的延时与芯片及HPI接口的工作频率相关，以C5502，C5501为例，在芯片手册中，这个延时参数H1在SYSCLK1与CPU时钟的分频为4时，最大延时为12*2H+20（ns），H=SYSCLK1/2，在HPI启动期间，PLL没有倍频，处于旁通状态，系统输入时钟就是CPU的工作时钟，SYSCLK1默认分频为CPU时钟的4分频，以输入时钟为25MHz为例，最大延时为：
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延时计算　　这个时间长度通常超出了主机端总线周期的软件配置范围，所以通过软件配置增加HCS的宽度不一定能满足HRDY的最大延时要求。在有的DSP芯片手册上只提供了HRDY的最小延时，最大延时与芯片的优先级设置，及系统配置相关而不确定，比如与系统中其它主模块如EDMA同时访问DDR，那么延时与HPI的优先级，EDMA的优先级，EDMA的burst长度，以及DDR的命令排序等配置相关，这样通过延长主机的总线访问周期，更加不可靠。
　　解决办法：在硬件设计之初，一定要利用HRDY硬件握手信号［2］［3］。虽然有的芯片HPIC寄存器提供了HRDY软件握手方式，只能做为弥补硬件设计之初遗漏HRDY硬件握手信号的权宜之计，软件轮循HRDY的办法会带来额外的开销，降低HPI总线的吞吐率，增加主机软件实现的复杂度。而且有的芯片HPI不支持HRDY软件查询方法，只能通过硬件HRDY保证数据的有效性。
　　6.3 HRDY常高
　　有的系统在长时间运行中偶尔出现HRDY常高，导致主机端总线访问异常，需要重新上电才能恢复HPI的正常操作。这种故障是由于HPI状态机出现异常。
　　从实际故障定位中总结出以下几点原因：
　　A. HPI的高低半字访问的顺序访问被其它HPI访问打断：在复用模式下，一个完整的HPI访问是由高低半字两次访问组成，需要严格保证，否则会破坏HPI的状态机，从而导致不可预期的后果。

        B. 主机通过HPI访问了DSP内部的保留空间，或者破坏了DSP的程序，数据空间，导致DSP运行异常，进而导致HPI状态机异常。
　　C. 主机的HSTROBE信号有毛刺，或者信号完整性不好，如下图中HCS（些案例HSTROBE是由HCS控制）的上升沿的回勾，都会导致HPI误判断为主机的新的访问的开始，从而打乱了高低半字的访问顺序要求，导致HPI状态机的错乱。
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HSTROBE信号
　　7. 总结
　　HPI是一种简单的异步接口，只要设计中满足了时序要求，即可稳定工作。在开发当中遇到数据读写不正确，从HSTROBE信号入手检查与之相关的信号的时序关系，便可以找出问题原因。另外，信号完整性是任何系统稳定工作的前提。
　　关于特定芯片上HPI接口的特有功能本文没有针对讨论，如C6727的字地址模式和字节地址模式可通过HPIC配置；C6727在HPI启动后ROM bootloader将HPI关闭，需要软件重新使能才能使用等；以及不同芯片的HPI启动模式下的跳转方式不同，请参考相应芯片的HPI手册及bootloader应用手册。