I2C总线实现TMS320VC5509A引导装载设计

1 引言

    DSP芯片的Bootloader程序用于上电时将用户程序从外部非易失性、慢速存储器或外部控制器中装载到片内高速RAM中，保证用户程序在DSP内部高速运行，TI公司的C55x系列DSP芯片提供多种装载模式，主要包括HPI引导装载、串行E2ROM引导装载、并行引导装载、串行口引导装载、I2C总线E2ROM引导装载等，通常使用的是并行引导装载模式，该方式引导速度快实现简单，但是体积和功耗也较大，随着串行接口存储设备容量的提高，串行引导方式体积小、功耗低的优势便显现出来了，所以使用ARM的串行接口对DSP进行引导装载，不仅能省去存储芯片，而且利用ARM的ISP功能，可以根据需要改变用户程序，有利于系统的维护和升级。

    本文以TMS320VC5509A芯片引导装载为例，详细介绍了利用ARM通过I2C串行引导方式来实现程序的引导装载，其他引导过程可参考相关技术资料[1]。

    TMS320VC5509A是TI公司一款16位定点低功耗DSP芯片，其指令周期最快为5ns，片内拥有128×16k高速RAM，性价比很高，被广泛用于嵌入式手持设备、通信、数据采集等领域。

    TI公司的DSP芯片出厂时，在片内ROM中固化有引导装载程序（Bootloader），其主要功能就是将外部的程序装载到片内RAM中运行，以提高系统的运行速度，C55x系列DSP其Bootloader程序位于片内ROM空间的0xFF0000-0xFF8000处，进入Bootloader程序后，程序先对DSP进行初始化，配置DSP的堆栈寄存器、中断寄存器和DSP状态寄存器，保证在引导装载用户程序时不会被中断，从而引导程序加载失败。

    由于DSP可以通过自举表对寄存器进行修改，需要注意在Bootloader程序运行时，尽量不要修改Bootloader程序配置过的中断控制寄存器，否则会导致不可预料的后果。

2.1 I2C引导模式硬件连接

    为了通过I2C总线来实现对DSP引导装载，通常情况是选择具有I2C总线接口的E2ROM，电路框图如图1所示，其中GPIO0-GPIO3是用来选择Bootloader引导模式，当DSP复位后对这4个管脚电平采样，根据不同的组合进入到对应的Bootloader程序，表1列出了GPIO0-GPIO3的管脚不同状态的组合以及对应的Bootloader引导方式。SDL和SDA分别为I2C的时钟和数据线，其上拉电阻的大小取决于所连接I2C设备的多少[2]。

    如果通过I2C总线对DSP实现引导装载，对存储数据的I2C设备有如果几点要求：

    （1）该设备首先必须兼容Philips的I2C总线规范V2.1，工作在从设备模式，并且其从设备地址为0x50。

    （2）设备内部使用两个字节寻址，即在接收到主机写命令后，其后接收到的数据是16位的地址数据。

    （3）对设备读取时，相关设备必须支持自动寻址增量，即每读一次，其内部地址指针自增1，保证程序按顺序读出。

     常用的I2C接口E2ROM有ST公司的M24系列及Philips的PCF85系列的E2ROM，根据程序大小选择相应的芯片，需要注意的是I2C引导模式最多支持64kB的数据。

    在I2C引导模式运行时，DSP作为主设备来控制I2C总线的时钟，对于DSP来说，SCL必须满足根据方程（1）所得到的速率，而I2C引导模式支持的最高时钟速率为400kHz，所以如果想利用I2C引导模式，DSP上电时输入时钟就不能大于12MHz。

     SCL（高）=SCL（低）=15×（DSP输入时钟周期） （1）

2.2 I2C引导模式数据存储方式

     为了能正确地将数据从外部存储器搬移至DSP内部，用户程序需要将数据按照一定格式存储在E2ROM中，按照这些格式存储的数据便是自举表（Boot table），自举表是Bootloader程序能正常运行的保证，只有将数据按照自举表的要求存储，用户程序才能被搬移到DSP内部正常运行，在自举表中除了用户数据外还需要一些Bootloader控制数据，如程序入口地址（entry point address）、寄存器配置（register configurations）和可编程延迟（programmable delay）等，自举表的结构如图2所示。

    其中程序入口地址在将用户程序搬移至DSP内部后，用户程序从该地址处开始运行，通常情况是中断向量表的reset处，在Bootloader搬移数据之前，如果需要可以改变某些寄存器的值，如DSP的clock配置寄存器、EMIF配置等，通过自举表配置这些寄存器后，需要一定时间才能正常工作，否则会导致引导程序失败。延迟计数器是让Bootloader推迟相应的CPU周期再进行数据搬移，确保引导程序正常工作，由于DSP是采用分段格式来组织数据的，如代码段、数据段和用户自定义数据段等，所以生成的自举表也是按照对应格式来建立的分段存储，这样有利于程序维护，实现模块化设计。

    在自举表的最后，是连续的4个字节的全零数据，其目的是为了告诉DSP程序引导完成，可以传至程序入口执行，同时DSP也发出指示给外部存储设备告知引导结束，在I2C模式中，作为主机接收设备的DSP信号将会在接收到结束标志后在数据总线上给出停止标志，用来结束数据传输。

    要建立自举表，可以利用TI提供的HEX转换程序（HEX55.exe），将生成的连接文件转换成用于存储器的数据格式[1]。首先，需要建立一个CMD（链接命令文件linker command file）文件，输入需要的链接选项，HEX55利用该文件提供的各种选项来转换文件，下面是一个为I2C引导方式建立的CMD文件和其选项以及具体含义：
 
    通常情况下还需定义采用某种方式如-Serial8、-parallel16等选项，表示采用何种Boot方式从而生成对应的存储格式，由于采用了I2C模式来引导，所以这些选项可以不使用，另外还可以使用-reg_config和-delay选项，分别来设置需要改变的寄存器值以及需要延迟的CPU周期数，最后需要注意的是HEX55程序要使用v2.1及后续版本，早期版本生成的自举表不能正确引导程序。

3 ARM端设计

    上面介绍了利用I2C接口的E2ROM来实现引导装载的硬件连接和需要的数据存储形式，实际利用ARM自身的I2C控制器，将自举表存储在ARM的FLASH中，并且让ARM按照I2C引导模式中E2ROM的时序向DSP发送对应的数据，实现对DSP的引导装载，所选用的ARM是Philips的LPC2138。LPC2813是基于32b ARM7的内核，内部拥有多达512k的高速FLash和32k的静态RAM，其工作频率可达60MHz，其I2C总线控制器支持I2C所有工作模式，这些在用于引导DSP时就不用使用端口来模拟I2C时序，使用十分方便，引导DSP时，只要ARM按照对应的顺序来发送数据，就能实现DSP的程序引导，使用ARM引导时，只需将图1中的SCL和SDA分别与ARM的SCL和SDA连接即可。

    Bootloader使用I2C读取数据时其时序如图2所示。引导开始后，DSP首先会使用随机读取指令（random read command）从0x0000地址处读取数据，该读取指令由一个虚假的写指令和当前地址读取指令（current address read command）组成，ARM正确响应该指令后，DSP便继续采用当前地址读取指令读取剩余数据。

    在LPC2138中，I2C总线有专门的控制器，并且每次接收到数据后对应的I2C状态寄存器会以不同的代码来表示当前I2C总线状态，用户可以根据不同的状态来进行下一步的操作[3]，整个引导过程就是ARM根据不同的总线状态来发送或接收相应的数据，使用ARM引导DSP程序加载时，ARM作为从设备工作，在两种工作模式之间切换，分别为从设备接收（slave receiver和从设备传输（slave transmitter）。

    下面介绍ARM端程序的运行状况，程序中首先通过I2C地址寄存器（I2ADDR）将ARM的从设备地址置为0x50，再利用I2C置位控制寄存器（I2CONSET）将其中的I2EN和AA置1，这样ARM就工作在从设备模式，一旦I2C总线接收到有效数据，程序就进入到中断服务程序中运行，用户程序根据I2C状态寄存器（I2STAT）的值判断当前状态从而进入下一步操作，图3为中断服务程序工作流程。

    图3中State代表接收到数据后，I2C状态寄存器中的值，不同的值代表总线上可能出现的各种状态。0xA0代表程序收到的是start或是stop标志，返回主程序继续等待中断，0x60代表接收到自己的从设备地址和写命令，并返回ACK信号，Count1代表收到的写命令次数，由于整个引导过程中只能接收到一次写命令，所以只要Count大于1则接收出错，需要重新启动引导程序，利用ARM控制DSP的复位信号重新开始引导过程，直至成功引导，0x80表示ARM进入了从设备接收数据状态，并且前边已经收到了本机的设备地址，此次接收到了数据并返回ACK信号，I2DAT在从设备接收模式时存储接收到的数据，发送模式时存储待传输的数据，引导开始后，连续两次接收的数据应该为0，若并不为0，表示引导程序出错，需要复位DSP重新开始接收。

    Count为连续两次接收数据0的计数器，一旦满足条件，将发送缓冲区的首地址取出存储在Trans_addr中，0xA8代表接收到当前地址读取命令，一旦接收到此命令，将待发送数据取出送入发送数据寄存器I2DAT，以便下一次传输时将数据送出，0xC0表示数据发送成功，而且没有收到ACK信号，意味着当前地址读取命令结束，此时将发送缓冲区地址加1，取出下一次待发送数据地址，这样便完成了1个字节数据的发送，整个引导过程一直到DSP收到自举表结束标志后停止，需要注意的是，I2C中断标志位需要通过软件清除，每次中断返回时都必须用I2C清零控制寄存器（I2CONCLR）手动清除I2C控制寄存器中的中断标志。

    按照上述方法就完成了I2C引导装载模式，用户可以在程序中加入测试程序，通过控制GPIO高低变化生成脉冲，利用示波器观察从而判断程序引导是否成功。

4 结语

    本文提出的引导方式已经成功地应用于一款低功耗、小型户数传设备当中，免去了对外部存储器的编程，特别有利于设备的升级和维护。