DSP56362的双引导装载方法研究与实现

摘要：简要介绍了MOTOROLA公司的24位定点数字信号处理器DSP56362的并行引导过程和特点。并结合实际，提出了一种双引导模式，给出了具体的实现方法。通过这种双引导模式，巧妙地达到了系统的要求。另外，介绍了采用DSP软件编程来实现FLASH擦除和读写方法。 关键词：DSP56362；Bootstrap；双引导模式；命令字序列 １　引言 在脱机运行的ＤＳＰ系统中，用户代码往往都需要在上电后自动装载运行。目前，大多数的ＤＳＰ内部都有固化的引导装载（Ｂｏｏｔｌｏａｄ）程序，它能在系统加电时，自动将一段存储在外部非易失性存储器中的程序代码移植到内部的高速存储器单元中去执行。采用这种方式，既可利用外部的存储单元来扩展ＤＳＰ本身有限的ＲＯＭ资源，又充分发挥了ＤＳＰ内部资源的效能。 因为用户代码在一段时间内是相对固定的，所以可以将其固化在非易失性存贮器中。而如果将代码掩膜到ＤＳＰ内部ＲＯＭ中去一方面要受到容量以及价格的限制，另一方面，系统代码升级也不是很灵活方便。ＦＬＡＳＨ是一种高密度、非易失性的电可擦写存储器，其单位存储比特的价格比传统的ＥＰＲＯＭ要低，十分适合低功耗、小尺寸和高性能的脱机系统。此外，除了可以采用专用的硬件编程器把程序代码烧入ＦＬＡＳＨ中之外， 也可以直接利用ＤＳＰ通过软件编程来实现。本文论述的正是如何通过ＤＳＰ软件编程来实现对ＦＬＡＳＨ的读写操作，同时介绍了系统双引导装载方案的实现方法。 ２　系统描述 本系统是基于ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司ＤＳＰ５６３６２芯片构建的数字音效处理系统中的一部分，整个数字音效处理系统的系统框图如图１所示。 ＤＳＰ５６３６２是一款２４位通用定点数字信号处理器。它采用高性能单时钟指令周期的ＤＳＰ５６３００内核和Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｓｙｍｐｈｏｎｙ ＤＳＰ的音频处理性能相结合的方法来实现具有运算速度快（１００ＭＩＰＳ）精度高（２４ｂｉｔ），外设接口丰富（具有增强型串行音频接口ＥＳＡＩ、并行主机接口ＨＩ０８、串行主机接口ＳＨＩ、数字音频接口ＤＡＸ等），价格低廉等诸多优点，特别适用于音频处理。其２４位的处理精度配合２０位的Ａ／Ｄ（ＰＣＭ１８００）和２４位的Ｄ／ＡＰＣＭ１７４４使得整个系统具有很高的动态范围（９６ｄＢ以上）。它高达１００ＭＩＰＳ的运算速度保证了算法处理的实时性。其增强型串行音频接口ＥＳＡＩ可以很方便地与音频Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ直接通过Ｉ２Ｓ协议进行连接。通过８ｂｉｔ的并行主机接口ＨＩ０８可以方便地与负责键盘控制和ＬＥＤ显示的单片机８９Ｃ５１进行通信。 ＦＬＡＳＨ选用ＳＳＴ公司的３９ＬＶ０１０其存储容量为１２８ｋ%26;#215;８ｂｉｔ，采用３．３Ｖ供电，读写周期为７０ｎｓ，支持块擦除与字节编程，是一款高性价比存储芯片。 ＤＳＰ与外部ＦＬＡＳＨ的连接示意图如图２所示。图中，ＤＳＰ的ＡＡ１脚和ＦＬＡＳＨ的片选信号脚ＣＥ相连。 ＤＳＰ５６３６２的４个地址属性寄存器ＡＡＲ[３～０]是２４位读写寄存器，它们的值可用于控制ＤＳＰ芯片的ＡＡ[３～０]引脚的状态，当某个ＡＡＲ寄存器中的基址与外部访问指令存取范围相匹配时，由这个ＡＡＲ定义的相应地址空间(Ｘ数据、Ｙ数据或程序)将被相应的ＡＡ线选通。在本系统中，正是把ＤＳＰ的ＡＡ１作为ＦＬＡＳＨ的片选线。ＡＡ１脚相应的ＡＡＲ１寄存器的值设为０ｘＤ００８１１Ｈ，当访问地址的高８位为１１０１００００时，外部ＦＬＡＳＨ被选通。 通过设置ＤＳＰ的总线控制寄存器ＢＣＲ，可以设置访问外部存储器时插入的等待状态的个数。在本系统中，ＦＬＡＳＨ的存取周期为７０ｎｓ，为了保证ＦＬＡＳＨ的正确读写，一般要插入３２个等待状态。 ３　ＤＳＰ５６３６２的引导过程 在ＤＳＰ５６３６２内部的０ｘＦＦ００００Ｈ－０ｘＦＦ００ＢＦＨ地址范围内有Ｍｏｔｏｒｏｌａ定制的２４位１９２字的Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ＲＯＭ。该ＲＯＭ内的Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序可以通过用户设置的ＤＳＰ引导模式信号线，将用户程序从外部的８位ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ、 ＳＨＩ接口或者ＨＤＩ接口引导到ＤＳＰ内部的高速ＲＡＭ中全速运行。 当ＤＳＰ５６３６２硬件复位后，它将首先采样外部的ＭＯＤＡ、ＭＯＤＢ、ＭＯＤＣ和ＭＯＤＤ信号线，并将它们的状态写入工作模式寄存器ＯＭＲＯｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｒｅｇ-ｉｓｔｅｒ的ＭＡ、ＭＢ、ＭＣ和ＭＤ位，然后使程序指针指向０ｘＦＦ００００Ｈ去执行Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序，Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序通过对ＯＭＲ的ＭＡ、ＭＢ、ＭＣ和ＭＤ位进行判断来决定选择哪种引导模式。主要的引导模式如表１所列。 表1 DSP56362 Bootstrap的引导模式 MODD MODC MODB MODA 描 述 0 0 0 1 从字节存储器引导 0 0 1 0 跳转到程序ROM起始地址 0 1 0 1 从串行主机接口SHI引导（SPI从模式） 0 1 1 0 从串行主机接口SHI引导（I2C从模式，时钟静止使能） 0 1 1 1 从串行主机接口SHI引导（I2C从模式，时钟静止关闭） 1 0 0 1 内部测试保留 1 1 0 0 从并行主机接口HDI08引导（ISA模式） 1 1 0 1 从并行主机接口HDI08引导（HC11非复用模式） 1 1 1 0 从并行主机接口HDI08引导（8051复用总线模式） 1 1 1 1 从并行主机接口HDI08引导（68302总线模式） 在本系统中，由于程序保存在外部的ＦＬＡＳＨ里，所以采用的引导模式为第一种即从字节存储器引导。在这种模式下Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ程序将从地址０ｘＤ０００００Ｈ处开始加载外部数据，并采用以下数据格式从外部接口下载用户的系统程序： （１） 最开始的３个字节用于定义系统程序的总字数（２４位）。 （２） 接着的３个字节用于定义系统程序下载到ＤＳＰ５６３６２程序存储器的目的地址。 （３） 其余是用户的系统程序（每个２４位的字由三个字节组成），这些程序将存储在ＤＳＰ程序存储器内连续的地址空间里。 Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序要求系统程序在外部ＦＬＡＳＨ中以地位字节（ＬＳＢ）在前的顺序排列每个２４位字的３个字节。ＤＳＰ的引导程序一旦完成数据的下载，将马上跳转到内部程序存储器的起始目的地址开始运行用户的系统程序。 ４　双引导装载方法 ４．１ ＤＳＰ５６３６２的片内内存分配 ＤＳＰ５６３６２采用增强型哈佛结构，片内空间可分为程序空间、Ｘ数据空间、Ｙ数据空间，每个空间都有一套独立的２４位地址总线和数据总线。在缺省情况下，ＤＳＰ片内的ＲＡＭ分配情况为：３ｋＢ程序ＲＡＭ、５．５ｋＢ Ｘ数据ＲＡＭ和５．５ｋＢ Ｙ数据ＲＡＭ。通过设置内存切换模式（ＭＳ＝１）可以将２ｋＢ的Ｙ数据ＲＡＭ映射到程序ＲＡＭ中，此时的片内ＲＡＭ分配为：５ｋＢ程序ＲＡＭ、５．５ｋＢ Ｘ数据ＲＡＭ和３．５ｋＢ Ｙ数据ＲＡＭ。考虑到本系统对程序空间的需求量较大，而数据ＲＡＭ相对较多，且系统对内部数据ＲＡＭ的需求并不是很大，因此，将ＤＳＰ设置成内存切换模式比较好。ＤＳＰ５６３６２在内存切换模式下（ＭＳ＝１）的内存映像图如图３所示。 ４．２ 直接使用Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序的问题 ＤＳＰ的内存切换模式需要通过软件指令对ＯＭＲ寄存器进行设置来实现。由于只有在该指令执行后才能生效，这样就产生了一个矛盾。因为若在系统程序开始时将ＤＳＰ设置为内存切换模式，那么，往往希望ＤＳＰ能装载５ｋＢ的程序指令，但是，ＤＳＰ的Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序是在系统复位后立即执行的，此时ＤＳＰ处于缺省（ＭＳ＝０）状态，程序ＲＡＭ只有３ｋＢ，如果此时外部的指令代码的大小超过了这个限制，引导程序就不能把它们加载进去，而当这条设置指令生效时，虽然ＤＳＰ的程序空间又增加了２ｋＢ，但是引导程序已经结束，因而这２ｋＢ的程序空间实际上没有被利用。 另外，从ＤＳＰ的Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ程序流程可以看出，这个引导程序只能将系统的程序代码数据加载到ＤＳＰ内部的程序ＲＡＭ，而不能将数据加载到ＤＳＰ内部的Ｘ数据ＲＡＭ、Ｙ数据ＲＡＭ，这样，那些需要在数据区内定义常数的程序将无法正常运行。 ４．３ 双引导模式 为了解决以上问题，本文提出了一种双引导模式。具体思路是：在系统程序的开始处，设计一个用户自己的引导模块，用这个模块先对ＤＳＰ内部的ＯＭＲ寄存器进行相应的内存切换设置，以使ＤＳＰ内部的程序ＲＡＭ扩大为５ｋＢ。然后参照ＤＳＰ的Ｂｏｏｔ-ｓｔｒａｐ引导程序分别对系统的Ｘ、Ｙ及Ｐ区的数据进行加载。同时在将程序烧录到ＦＬＡＳＨ时采用地址隔离的方式将引导模块与系统程序分开存放，引导模块作为一段独立的程序放在首地址为０ｘＤ０００００Ｈ的存储区。于是，对于ＤＳＰ的Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序来说，它需要引导的不是整个系统程序，而仅仅是这个引导模块，另外加载完这个模块后就立即跳转到内部程序ＲＡＭ中执行，此时引导模块已获得ＣＰＵ控制权，它在完成内存切换后将继续引导系统程序的其他部分。采用这种两次引导的方法，不但使Ｘ、Ｙ区的数据可以按照程序的要求进行初始化，而且ＤＳＰ的程序指令空间可以预先设置成５ｋＢ，从而非常巧妙地达到了系统的要求。该双引导模式的引导模块程序流程如图４所示。 ５　ＦＡＬＳＨ的擦除和读写 为了使系统能够脱机运行，应当把系统程序烧录到外部ＦＬＡＳＨ中去。除了可以用专用的编程器把代码烧入ＦＬＡＳＨ中外，还可以用软件编程的方法由ＤＳＰ来实现同样的功能。本系统正是采用这种软件编程的方法实现对ＦＬＡＳＨ的擦除和读写。 ５．１ 地址映射 利用ＤＳＰ擦除和读写ＦＬＡＳＨ必然会牵涉到ＦＬＡＳＨ中的地址在ＤＳＰ中的映射方式。ＤＳＰ５６３６２的内存映像图已在图３中给出。本系统采用的是１２８ｋＢ的ＦＬＡＳＨ，其地址范围为：０ｘ００００００Ｈ～０ｘ１ＦＦＦＦＨ。假设ＦＬＡＳＨ的起始地址０ｘ００００Ｈ和ＤＳＰ的起始地址０ｘ００００００Ｈ重合，那么ＦＬＡＳＨ中只有对应于ＤＳＰ外部空间的那部分地址空间才是ＤＳＰ可见的。为了使ＤＳＰ能够访问全部的外部ＦＬＡＳＨ空间，设计时必须进行地址重映射。 本系统实际用到的ＦＬＡＳＨ的存储容量不足６４ｋＢ，也就是说，当访问外部ＦＬＡＳＨ时，真正起作用的地址线是Ａ０～Ａ１５，而高位地址线Ａ２３～Ａ１６可以为任意值。因此，可以考虑给访问地址加一个偏移量０ｘＤ０００００Ｈ，以将ＦＬＡＳＨ的地址空间映射到ＤＳＰ内部Ｘ数据ＲＡＭ中，映射后的地址范围是：０ｘＤ０００００Ｈ～０ｘＤ０ＦＦＦＦＨ。重映射后的ＦＬＡＳＨ地址空间落在Ｘ数据ＲＡＭ的外部保留区内，这在ＤＳＰ中是可见的。 ５．２ 擦除和读写过程 在ＤＳＰ将数据写入ＦＬＡＳＨ之前，先要删除数据所在块，然后才能重新写入。在擦除和写操作之前都要执行相应的命令字序列，即在指定的ＦＬＡＳＨ地址处写入指定的指令代码，而读操作则可以直接进行。ＦＬＡＳＨ的擦除和写入流程图分别如图５、图６所示。在本系统中，由于采用了双引导模式，所以首先要将引导程序写入ＦＬＡＳＨ，然后再分别将用户程序的Ｐ区数据、Ｘ区数据、Ｙ区数据写入ＦＬＡＳＨ。 在利用ＤＳＰ软件编程进行烧录时，可以从目标文件中提取出将要写入ＦＬＡＳＨ的数据，然后将这些数据打包成一个ａｓｍ文件，再在烧录程序中将这个ａｓｍ文件包含进来。接着对烧录程序进行编译、链接，以产生一个目标文件。最后，通过ＪＴＡＧ口将目标文件下载到ＤＳＰ中运行，这样，ＤＳＰ就会通过其外部数据线将打包好的ａｓｍ文件中的数据写入ＦＬＡＳＨ。在本系统中，引导程序和用户程序将分４次烧入ＦＬＡＳＨ为此要分别将引导程序、用户程序Ｐ区数据、用户程序Ｘ区数据、用户程序Ｙ区数据打包成ａｓｍ文件。打包一个ａｓｍ文件的具体步骤如下： （１）调用ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司提供的ＡＳＭ５６３００和ＤＳＰＬＮＫ程序对源文件进行编译、链接，以产生一个ｃｌｄ格式的目标文件。 （２）调用ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司提供的ＳＲＥＣ程序将ｃｌｄ格式的目标文件转换成ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司的Ｓ－ＲＥＣＯＲＤ文件格式，可将目标文件中的Ｐ区数据、Ｘ区数据、Ｙ区数据提取出来并生成３个文件，其后缀分别为ｐ、ｘ、ｙ。 （３）调用Ｓｒｅｃ２ｂｉｎ程序将Ｓ－ＲＥＣＯＲＤ格式的文件转换成ＢＩＮＡＲＹ格式的文件。 （４）调用Ｂｉｎ２ａｓｍ程序将ＢＩＮＡＲＹ格式的文件转换成ａｓｍ文件。这个ａｓｍ文件由一系列的数据定义指令组成，定义的数据依次为系统程序总字节数、系统程序起始地址、系统程序对应的十六进制操作码，其数据结构如图７所示。 为了验证上面方法是否能将引导程序和用户程序的各部分代码成功写入到ＦＬＡＳＨ中，笔者编写了一个测试程序作为用户程序，该测试程序的功能是将ＡＤ输入的音频信号不经任何处理直接输出。实验证明：系统脱机运行时能够正确地运行测试程序，从而说明了系统引导装载和ＦＬＡＳＨ烧录的成功。 ６　结束语 采用双引导装载方式可以克服Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ引导程序不能加载Ｘ区数据和Ｙ区数据的缺点，还可以在系统程序运行前将ＤＳＰ设置为内存切换模式，同时，采用软件编程方法可以在没有专用编程器的条件下，方便、可靠地实现对ＦＬＡＳＨ的擦除和读写。该方案具有一定的实用性和参考价值，也能够用于其它ＤＳＰ系统。