TMS320C6713的軟件自動更新方案設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞 軟件自動更新 COFF文件解析 兩級引導(dǎo)程序 TMS320C6713
引 言
目前市面上存在大量基于DSP的嵌入式系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的完善和功能的增強(qiáng)，幾乎所有的DSP系統(tǒng)都面臨著軟件更新的問題，這時，更新方法的簡易和高效就顯得特別重要。在基于DSP(數(shù)字信號處理器)的嵌入式系統(tǒng)中，軟件更新通常需要借助仿真器將最新的程序下載到目標(biāo)板上，然后將程序?qū)懭敕且资痛鎯ζ髦?。同時，由于新程序編譯、鏈接后生成的各段的大小和運(yùn)行空間會發(fā)生變化，系統(tǒng)引導(dǎo)程序也需要作相血的改動。例如：上一個版本的程序?qū)?yīng)的．text段的運(yùn)行空間位于Ox80000000～0x80000100，而新程序?qū)?yīng)的．text段的運(yùn)行空間則位于Ox80001000～Ox80001110，．text段的運(yùn)行空間和長度都發(fā)生了變化。另外，引導(dǎo)程序的任務(wù)之一是將．text段的數(shù)據(jù)從Flash中復(fù)制到其運(yùn)行空間，因此就必須重新修改引導(dǎo)程序，將．text段復(fù)制的起始地址由Ox80000000改為0x80001000，并將復(fù)制長度改為OxllO，每一次軟件更新都會重復(fù)上面的步驟。在遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制應(yīng)用中，這種更新方法就顯得非常不便；在需要同時對大量的DSP系統(tǒng)進(jìn)行軟件更新或經(jīng)常需要軟件更新的情況下，這種方法的效率也非常低下。
筆者通過對TMS320C6713 DSP系統(tǒng)引導(dǎo)過程的分析和COFF(公共目標(biāo)文件格式)文件格式的分析，提出了一個軟件自動更新的方案，并在基于TI公司的TMS320C6713芯片與SST公司的SST39VFl601并行Flash芯片組成的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)；最后還簡單介紹了本方案在TMS320VC5409系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)本方案的一個前提是DSP硬件系統(tǒng)上具有某種接口，可以從計(jì)算機(jī)中下載COFF文件到本地系統(tǒng)上，筆者使用的平臺是通過UART接口連接計(jì)算機(jī)，使用Windows自帶的超級終端上具，通過Xmodem協(xié)議將COFF文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)上，當(dāng)下載完成后更新就會自動完成。DSP重新上電或復(fù)位后運(yùn)行的就是最新的程序。本方案主要包括兩個過程：一是通過解析COFF文件得到所需的數(shù)據(jù)并燒入Flash；二是系統(tǒng)上電后自動根據(jù)Flash中最新的數(shù)據(jù)引導(dǎo)、運(yùn)行。下面詳細(xì)描述兩個過程的實(shí)現(xiàn)方法。
1 COFF文件解析
C或匯編程序在編譯后會生成很多段(如．text、．bss、．switch、．cinit、．data等)，這些段又可以分為需要初始化的段和不需要初始化的段。這里，需要初始化和不需要初始化是針對系統(tǒng)引導(dǎo)來說的。例如：．text為程序代碼數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上電后需要引導(dǎo)程序從Flash中復(fù)制到其運(yùn)行空間中，稱為“需要初始化的段”；．bss為初始化為0的數(shù)據(jù)空間，這個初始化為O的動作在C語言環(huán)境建立時進(jìn)行，屬于系統(tǒng)程序的一部分，與引導(dǎo)程序無關(guān)，稱為“不需要初始化的段”。這樣，只需要保存初始化的段到Flash中，而并不需要通過段的名稱來識別哪些段是需要初始化的段，哪些是不需要初始化的段，兩種類型可以通過COFF文件中的段信息表部分來區(qū)分。
1．1 COFF文件簡介
COFF文件是DSP匯編器和鏈接器創(chuàng)建的目標(biāo)文件，通常為項(xiàng)目目錄下的Debug目錄里后綴為．out的文件。在COFF文件中包含文件頭、可選擇的頭信息、段信息表、每個初始化段的數(shù)據(jù)和重定位信息、符號表、字符串表。從中可以看出，COFF文件中包含了很多冗余的信息成分。為了節(jié)省空間、提高效率，在這里不直接將COFF文件燒進(jìn)Flash，而只保存所需的信息，即每個初始化段的數(shù)據(jù)和程序的入口地址。下面詳細(xì)描述如何從COFF文件中得到這些信息。
1．2 COFF文件格式
在COFF文件中，文件頭部分提供了該文件中包含的段的個數(shù)，解析程序會根據(jù)段的個數(shù)掃描每個段的信息并保存初始化段的數(shù)據(jù)；可選擇的頭信息包含了程序的入口地址，在系統(tǒng)引導(dǎo)結(jié)束后會直接跳轉(zhuǎn)到這個地址，系統(tǒng)就開始正常工作。段信息表的格式說明如表l所列。其中，段物理地址是該段的執(zhí)行地址，也就是程序運(yùn)行時該段所在的空間；原始數(shù)據(jù)文件指針指向段數(shù)據(jù)在COFF文件中的位置，如果該段為初始化段，那么從這里就可以得到需要寫入Flash的數(shù)據(jù)的位置。計(jì)算如下：
段數(shù)據(jù)地址=COFF文件起始地址+原始數(shù)據(jù)文件指針
標(biāo)志信息用于判斷該段是否為需要初始化的段，如表2所列。需要初始化的段標(biāo)志為Ox40和0x20，這樣就獲得所有需要引導(dǎo)程序復(fù)制的段數(shù)據(jù)。此時不能將這些數(shù)據(jù)直接燒入Flash，若直接燒入Flash，則引導(dǎo)程序?qū)o從知道段數(shù)據(jù)的起始位置、運(yùn)行空間地址和長度。本方案設(shè)計(jì)了一個簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放在段數(shù)據(jù)前，稱為“段頭”。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
1．3 Flash存儲空間安排
獲得所需的數(shù)據(jù)后，下一步就是將這些數(shù)據(jù)燒入Flash。Flash空間的數(shù)據(jù)格式如下：
除了保存段頭和段數(shù)據(jù)，還需要記錄程序入口地址和后面所有段的個數(shù)。程序入口地址是目標(biāo)程序第一步開始執(zhí)行的地址，當(dāng)引導(dǎo)程序復(fù)制完所有的數(shù)據(jù)后就直接跳到這個地址開始運(yùn)行。段的個數(shù)用于引導(dǎo)程序判斷是否所有段的數(shù)據(jù)已復(fù)制完。
在燒寫Flash前還需要對Flash空間進(jìn)行劃分。以本系統(tǒng)為例，F(xiàn)lash空間為Ox90000000～Ox90400000，共4MB。劃分如下：
◆第一部分存儲的是第一級引導(dǎo)程序。對TMS320C6713系統(tǒng)來說，這部分代碼編譯后產(chǎn)生所有初始化段大小必須小于1KB(其詳細(xì)分析見后)，所以這部分空間大小固定為1KB，即0x90000000～0x900003ff。
◆第二部分存儲的是第二級引導(dǎo)程序，這部分按照上述數(shù)據(jù)格式燒寫。其長度沒有特別限制，只需根據(jù)保存第二級引導(dǎo)程序所需的最大空間安排。由于Flash每個扇區(qū)的大小為8KB，為了便于對上一部分的擦除操作，將第二部分的起始地址延長到Flash第二個扇區(qū)的起始地址，其空間為Ox90002000～0x90003fff，共8KB。
◆第三部分為系統(tǒng)程序，其長度根據(jù)保存系統(tǒng)程序所需最大空間安排。數(shù)據(jù)格式與第二部分相同，對應(yīng)地址為0x90004000～Ox90103fff，共1MB。剩余的Flash空間作其他用途。
整個Flash空間劃分如圖1所示。注意：以上3個部分一旦規(guī)劃好，每個部分的位置就不能改動。對于第二部分，只要第二級引導(dǎo)寫好，這部分需要的空間也就確定了；而第三部分在每次軟件更新時都要同時更新，因此需要預(yù)留足夠大的空間。
整個COFF文件解析流程如圖2所示。
2 系統(tǒng)引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)
TMS320C6713支持3種引導(dǎo)方式：主機(jī)引導(dǎo)、仿真引導(dǎo)和EMIF引導(dǎo)。本方案采用EMIF引導(dǎo)，在此模式下，位于外部存儲空間CEl的Flash中的1 KB代碼通過EDMA拷貝到片內(nèi)RAM地址0處。由于大多數(shù)引導(dǎo)程序代碼大于1 KB，因此本方案采用兩級引導(dǎo)方式。編寫引導(dǎo)程序的目的就是，將所有初始化段的數(shù)據(jù)從Flash中拷貝到其對應(yīng)的運(yùn)行時的存儲空間。
2．1 第一級引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)
對于基于TMS820C6713的系統(tǒng)，第一級的引導(dǎo)程序大小被嚴(yán)格限制在l KB內(nèi)，因此只能用匯編語言編寫程序。在系統(tǒng)上電后第一級的引導(dǎo)程序由EDMA從Flash拷貝lKB到片內(nèi)RAM并開始執(zhí)行，因此第一級引導(dǎo)程序編譯后所有韌始化段的長度不能大于1 KB。對于筆者提供的程序，這段程序編譯后產(chǎn)生的初始化段只有．text段。其任務(wù)是根據(jù)數(shù)據(jù)格式找到段數(shù)據(jù)并拷貝到對應(yīng)的物理地址中，然后跳到第二級引導(dǎo)程序入口處。第一級引導(dǎo)程序流程如圖3所示。
2.2 第二級引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)
第二級引導(dǎo)程序大小沒有限制，因此本方案使用C語言來實(shí)現(xiàn)。在本硬件系統(tǒng)中，系統(tǒng)程序在SDRAM中運(yùn)行，因此在第二級引導(dǎo)程序拷貝段數(shù)據(jù)之前還需要初始化EMIF。如果在硬件上還用到了其他外設(shè)，也可以在這里完成初始化。初始化完成后就開始拷貝數(shù)據(jù)的過程，這與第一級引導(dǎo)程序的拷貝過程是完全相同的。第二級引導(dǎo)程序流程如圖3所示。
這里用簡單的例子來解釋系統(tǒng)引導(dǎo)程序如何工作的。在Flash空間中，所有的段頭和段數(shù)據(jù)都是緊湊安排的。也就是說，上段頭后面緊接著段數(shù)據(jù)，本段數(shù)據(jù)結(jié)束后就是下一段的段頭。這種安排是必須的，否則，引導(dǎo)程序在復(fù)制完上一個段的數(shù)據(jù)后就無法我到下一個段頭的地址。以第一級引導(dǎo)程序復(fù)制Flash中第二級引導(dǎo)程序?yàn)槔f明。第二級引導(dǎo)程序的各段數(shù)據(jù)在Flash中的起始地址為0x90002000，首先從頭兩個字中讀出程序入口地址、所有數(shù)據(jù)大小和段個數(shù)；然后讀取段頭，段大小用于確定本段數(shù)據(jù)長度；跳過本段數(shù)據(jù)區(qū)為下一段頭開始位置，段物理地址則說明了段數(shù)據(jù)復(fù)制的目的地址。若復(fù)制的段個數(shù)等于開始讀出的段個數(shù)，則表明所有數(shù)據(jù)復(fù)制均已完成，然后跳轉(zhuǎn)到程序入口地址。從這個過程中可以看出，引導(dǎo)程序的復(fù)制過程完全是根據(jù)段頭的信息來的。當(dāng)軟件更新時，段頭信息也會相應(yīng)更新，與引導(dǎo)程序無關(guān)。因此，引導(dǎo)程序可以自適應(yīng)新程序段的變化，而不需要重新修改引導(dǎo)程序。
3 在TMS320VC5409系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)
大多數(shù)DSP系統(tǒng)的引導(dǎo)過程都大同小異，筆者也將本方案應(yīng)用在基于TMS320VC5409的硬件平臺上。對于COFF文件的解析，兩種平臺沒有區(qū)別，解析得到的段數(shù)據(jù)也同樣是加上段頭后燒進(jìn)Flash。TMS320VC5409與TMS320C6713唯一的區(qū)別在于其引導(dǎo)過程。TMS320VC5409的引導(dǎo)方式較多，對本方案的實(shí)現(xiàn)也多種多樣，這里只簡單介紹筆者所使用的方法。
將MP／MC引腳拉高，使TMS320VC5409為微處理器模式。這樣程序空間0xff80～0xffff映射到外部，同時硬件上將Flash空間連接到DSP的0x8000～0xfff程序空間上。DSP上電復(fù)位后，PC從程序空間的0xff80開始執(zhí)行，需要做的是在0xff80對應(yīng)的Flash空間中寫入一個跳轉(zhuǎn)語句，將DSP跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序開始的位置。可以看出，由于引導(dǎo)程序沒有長度限制，因此采用一級程序引導(dǎo)。注意：此時的引導(dǎo)程序并沒有復(fù)制到片內(nèi)RAM中，而是直接在Flash上執(zhí)行，所以在編譯引導(dǎo)程序時要注意鏈接文件的書寫。當(dāng)引導(dǎo)程序開始執(zhí)行后，直接在預(yù)先設(shè)定好的Flash空間中根據(jù)1．2小節(jié)中的結(jié)構(gòu)體尋找段數(shù)據(jù)并復(fù)制，復(fù)制完成后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序入口處。
編者注：實(shí)現(xiàn)代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.cm.cn。
4 結(jié)論
本文介紹了一種基于TMS320C6713系統(tǒng)的軟件自動更新方案。該方案具有實(shí)現(xiàn)簡單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，且一旦實(shí)現(xiàn)后，每次軟件更新時無須改動引導(dǎo)程序。目前該方案已應(yīng)用在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目自動指紋識別系統(tǒng)中，收到了非常好的效果。實(shí)踐表明，本方案具有很好的可移植性，可以在TI公司的多種DSP平臺上得到應(yīng)用。
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