摘 要： 以實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)為背景,，介紹了一種基于CPLD譯碼的TI TMS320VC55x系列DSP大程序的二次引導(dǎo)方法,。闡述了DSP與CPLD以及Flash存儲器之間的硬件接口電路設(shè)計(jì)及二次Bootloader方法的實(shí)現(xiàn)，給出了CPLD譯碼的VHDL代碼,。實(shí)驗(yàn)證明,，利用CPLD的快速譯碼實(shí)現(xiàn)的DSP二次Bootloader方法,，接口簡單、編程方便,、有較強(qiáng)的通用性和可靠性,。
關(guān)鍵詞： CPLD譯碼；DSP,；二次Bootloader,；Flash存儲器
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理器(DSP)越來越廣泛地應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中,。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試完畢,，想脫離仿真環(huán)境并在上電復(fù)位后自動啟動程序代碼運(yùn)行時(shí)，必須將程序代碼存儲在非易失性存儲器中,。Flash存儲器以其大容量和可在線編程等特點(diǎn)已成為DSP系統(tǒng)的一個基本配置,。在系統(tǒng)上電復(fù)位后，DSP芯片內(nèi)部固化的引導(dǎo)裝載器（Bootloader）把應(yīng)用程序從Flash引導(dǎo)到DSP芯片內(nèi)高速RAM中執(zhí)行,。這樣既利用了外部存儲器擴(kuò)展DSP有限的ROM資源,，又可以充分保證用戶程序的全速運(yùn)行[1-2]。
本文采用德州儀器公司的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A（以下簡稱5509A）,，其PGE封裝形式只有14根地址總線(A0～A13),，最大只能尋址16KB的Flash存儲器[3]。若要尋址更大地址空間,，就需要控制Flash存儲器的高位地址線,。常見的解決方案是采用DSP的通用輸入輸出GPIO（General Purpose Input/Output）引腳來控制Flash的高位地址線，從而實(shí)現(xiàn)Flash存儲器的分頁訪問[5-6],。然而,，對于較大容量的Flash存儲器，如本文采用的Am29LV800的容量為512K×16bit,，有19根地址線[4],，如果采用上述方法，硬件連接雖然簡單,，但會占用較多的GPIO引腳,，而且以后的系統(tǒng)擴(kuò)展也不方便。本文介紹了一種基于CPLD快速譯碼的DSP二次引導(dǎo)方法,，利用CPLD的時(shí)序嚴(yán)格,、譯碼速度快、可在線編程等特點(diǎn),，在DSP的外部存儲器接口EMIF(Exteral Memory Interface)的CE2空間模擬了一個Flash換頁寄存器FPR（Flash Page Register）,，在上電復(fù)位后控制Flash的高位地址線，從而實(shí)現(xiàn)Flash的分頁訪問,。因此,，可通過二次bootloader程序修改FPR的值,，控制Flash的高位地址線，將最終的應(yīng)用程序加載到RAM中運(yùn)行,。
1 TMS320VC5509A的并行引導(dǎo)模式
1.1 5509A的引導(dǎo)模式
5509A的引導(dǎo)模式選擇是通過4個模式選擇引腳BOOTM[3：0]來配置的,，BOOTM3~0引腳分別與GPIO0、3,、2,、1相連。5509A提供了六種引導(dǎo)模式,，即EHPI引導(dǎo)模式,、8位/16位并行EMIF引導(dǎo)模式、8位/16位標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)模式,、SPI EEPROM引導(dǎo)模式,、USB引導(dǎo)模式以及I2C E2PROM引導(dǎo)模式,。本文采用16位并行EMIF引導(dǎo)模式,，將BOOTM[3：0]設(shè)置為1011即可。
在16位并行EMIF引導(dǎo)模式下,，DSP芯片內(nèi)部固化的Bootloader程序上電復(fù)位后,，首先從CE1空間首地址0x200000h處開始讀取程序代碼，并加載到RAM中運(yùn)行,。
1.2 5509A的引導(dǎo)表格式
程序代碼以引導(dǎo)表的格式存儲在Flash存儲器中,。引導(dǎo)表是獨(dú)立于所選引導(dǎo)模式的一種特定的格式，包含了用戶程序的代碼段,、數(shù)據(jù)段,、段在RAM中的目標(biāo)地址以及程序入口地址等其他相關(guān)信息。5509A引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)如表1所示,。
DSP芯片內(nèi)部固化的Bootloader的主要功能是將Flash中存儲的引導(dǎo)表按一定順序加載到RAM中,，然后跳轉(zhuǎn)到32位程序入口地址開始執(zhí)行。引導(dǎo)表文件可以通過TI公司提供的16進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成,，一般是hex格式,，然后將此hex文件燒寫到Flash存儲器中供Bootloader加載。
2 DSP二次Bootloader的原理及實(shí)現(xiàn)
由上述分析可知,，DSP用戶程序的并行加載過程是由DSP內(nèi)固化的Bootloader實(shí)現(xiàn)的,。由于5509A的PGE封裝只有14根地址線，最多只能訪問到16K×16bit地址空間,。對于超過16KB的用戶代碼,，Bootloader將不能加載全部的引導(dǎo)表文件。因此若要加載超過16K的用戶代碼,，必須進(jìn)行二次Bootloader,。
二次Bootloader的原理是由用戶自行編寫一個代碼長度小于16KB的引導(dǎo)程序（以下簡稱uboot）,，其功能與DSP內(nèi)固化的Bootloader相同，用于加載最終的用戶代碼,。在uboot程序中控制Flash存儲器的高位地址線來訪問Flash的其他存儲內(nèi)容,。這樣，DSP上電復(fù)位后,，Bootloader首先加載uboot并運(yùn)行,，然后uboot又加載最終用戶代碼，實(shí)現(xiàn)了大于16K代碼的二次引導(dǎo),。
2.1 DSP與Flash及CPLD的硬件接口
本文采用AMD的Am29LV800作為DSP的外部存儲器擴(kuò)展,。Am29LV800按8位方式訪問，容量為1M字,；按16位方式訪問,，容量為512K字。DSP外圍電路邏輯譯碼及Flash高位地址線模擬由CPLD實(shí)現(xiàn),。Xilinx公司的XC9572XL是一款高性能的CPLD芯片,，最高主頻可達(dá)178MHz，包含了72個宏單元,，1 600個可用門電路,，其TQFP封裝有72個可用I/O引腳[7]。圖1是5509A與CPLD及Flash之間的硬件接口設(shè)計(jì)原理圖,。
如圖1所示,，5509A的地址線A[13：1]與Flash的地址線A[12：0]，A0未用,。Flash存儲器被映射到DSP的CE1空間,，由片選線CE1經(jīng)CPLD譯碼后選通。其中DSP的地址線A13和A[3：1]與CPLD接口,，用于換頁寄存器FPR的模擬,。Flash存儲器的BYTE引腳經(jīng)上拉后接高電平，即按16位方式訪問,。
2.2 CPLD譯碼VHDL程序設(shè)計(jì)
目前DSP系統(tǒng)主頻越來越高,，運(yùn)算速度越來越快，利用小規(guī)模邏輯器件譯碼的方式已不能滿足DSP系統(tǒng)性能的需求,。CPLD器件以其嚴(yán)格的時(shí)序,、快速的譯碼、良好的可編程性成為DSP系統(tǒng)必不可少的部件之一,。
本文利用CPLD的快速邏輯譯碼功能,，模擬了一個FPR寄存器來控制Flash的高位地址線。VHDL語言源程序如下（篇幅有限,，這里省略實(shí)體端口聲明及中間信號定義）：
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,，F(xiàn)PR寄存器被映射到了CE2空間的0x401000地址,。其中引入A13及A[3:1]地址線的目的是為了便于以后的功能擴(kuò)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寄存器定義如表2所示,。
FPR寄存器的第5～0位分別控制Flash的高位地址線A18～A13,，第7～6位無效。當(dāng)DSP上電復(fù)位時(shí),，F(xiàn)PR寄存器的值被設(shè)置為全0,，此時(shí)Flash的所有高位地址線均處于低電平狀態(tài),，DSP開始訪問Flash的最低8KB地址單元。復(fù)位結(jié)束,，就可以對FPR寄存器寫入值,，改變Flash的高位地址，從而實(shí)現(xiàn)Flash的分頁訪問,。這樣Am29LV800 Flash的512K字存儲空間相當(dāng)于被劃分為64頁(0～63),，每頁8K字，當(dāng)程序大于一頁時(shí),，修改FPR,，進(jìn)行軟件翻頁，讀入下一頁Flash數(shù)據(jù),。也可以通過讀FPR寄存器,，了解當(dāng)前高位地址線的狀態(tài)，此時(shí)FPR寄存器與Flash的地址映射關(guān)系為：
Flash地址單元=（FPR<<13）+DSP地址線A[13：1]
2.3 二次Bootloader的實(shí)現(xiàn)
基于上述的設(shè)計(jì)和分析,，要實(shí)現(xiàn)大程序的自動引導(dǎo),，可以采用二次Bootloader的方法。首先要設(shè)計(jì)一個uboot程序,，大小不能超過一頁,。將uboot程序燒寫到Flash存儲器的第0頁，也就是DSP上電復(fù)位后被固化的Bootloader自行引導(dǎo)的那一頁,。uboot的主要功能是通過修改FPR寄存器值,，并按照引導(dǎo)表的格式讀取Flash存儲器的其他頁程序到RAM中，最后跳轉(zhuǎn)到用戶程序的32位入口地址開始執(zhí)行,。uboot程序中,，可以定義一個16位無符號整型指針變量，指向CE2空間的0x401000地址,，即：
unsigned int*FPR=(unsigned int*) 0x401000,；
若*FPR=1，即可以訪問Flash的第1頁,。
在編寫uboot程序和用戶程序時(shí),，要對存儲器空間重新分配，即在定義CMD文件時(shí),，要注意用戶程序所占用的存儲空間不能與uboot程序占用的存儲空間重疊,。因?yàn)閡boot首先被加載運(yùn)行，在運(yùn)行時(shí)加載用戶程序,，也需要占用RAM地址空間,。而且uboot程序代碼長度不能超過一頁。當(dāng)燒寫Flash時(shí)，必須將uboot程序燒寫到Flash的第0頁,，然后將用戶程序燒寫到第一頁或以后的存儲空間中,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以煤礦井下煤矸分界傳感器為例，測試本文介紹的基于CPLD譯碼的DSP二次Bootloader方法,。該傳感器采集放煤時(shí)煤矸石振動信號,，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入DSP經(jīng)數(shù)字信號處理，分析得出煤矸石放落比例[8],。用戶程序代碼大小為23K字左右,，顯然不能夠被固化的Bootloader正常加載，因此必須經(jīng)過二次Bootloader,。
將大小約2K字的uboot程序燒寫到Flash第0頁,，用戶燒寫到第1～3頁。經(jīng)多次測試,，該系統(tǒng)從上電復(fù)位到開始運(yùn)行用戶程序,，耗時(shí)大約0.3s，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。
本文介紹的基于CPLD快速譯碼的DSP二次Bootloader方法,，利用CPLD器件的快速譯碼功能，模擬了一個換頁寄存器,，實(shí)現(xiàn)了大程序的上電后二次引導(dǎo),。與常見的利用GPIO換頁的方法相比，本方法更有效,，通用性更好,，不會占用寶貴的GPIO資源，而且系統(tǒng)擴(kuò)展方便,，接口簡單,。
參考文獻(xiàn)
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