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。[!--empirenews.page--]
　　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。[!--empirenews.page--]
　　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。