AVR和TMS320VC5402的HPI接口通信設(shè)計(jì)

1.引言

TMS320VC5402（簡(jiǎn)稱(chēng)VC5402）是TI公司的DSP處理器，具有高級(jí)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)和豐富的片內(nèi)資源。但是VC5402 DSP內(nèi)部不具有可編程的非易失片內(nèi)存儲(chǔ)器，所以為了保存程序代碼和參數(shù)表，一般情況下要外擴(kuò)一片存儲(chǔ)器。VC5402可用的通用輸入輸出口（I/O port）少，軟件上對(duì)I/O口的控制不靈活，沒(méi)有對(duì)I/O口按位控制的指令，且具有流水線(xiàn)延遲。多不具有通用的通信接口如UART接口，CAN總線(xiàn)接口等，對(duì)控制的支持功能較少。AVR（Advanced RISC Architecture）單片機(jī)是ATMEL公司的flash型單片機(jī)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和控制領(lǐng)域，具有豐富的片內(nèi)資源和靈活的接口形式。片內(nèi)往往集成了幾十kB乃至幾百kB的flash存儲(chǔ)器，每個(gè)端口幾乎都可以通過(guò)軟件設(shè)置為通用的I/O口和具有特殊功能的端口。將AVR單片機(jī)和VC5402處理器相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)將是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)方案。本文詳細(xì)描述了AVR型單片機(jī)ATMEL64L和VC5402的HPI接口的硬件設(shè)計(jì)原理和軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架，同時(shí)詳細(xì)闡述了VC5402 HPI形式的bootloader方法及AVR實(shí)現(xiàn)方法。

2.  硬件設(shè)計(jì)原理

2.1. VC5402的HPI接口

VC5402的HPI接口是一個(gè)增強(qiáng)版的8位并行的HPI接口簡(jiǎn)稱(chēng)為HPI-8[1]。在 HPI-8接口中VC5402是從機(jī)。主機(jī)可以訪(fǎng)問(wèn)VC5402中位于0x60～0x3FFF存儲(chǔ)器空間的片內(nèi)存儲(chǔ)器，這一區(qū)域是VC5402用戶(hù)可用的所有的片內(nèi)存儲(chǔ)器資源。主機(jī)通過(guò)兩個(gè)寄存器：地址寄存器（HPIA）和數(shù)據(jù)寄存器（HPID）訪(fǎng)問(wèn)VC5402內(nèi)部的存儲(chǔ)器。還有一個(gè)控制寄存器（HPIC）包含有控制和狀態(tài)信息。HCNTL[0..1]是HPIA、HPID和HPIC的選址信號(hào)。同時(shí)，VC5402對(duì) HCNTL[0..1]＝“01”設(shè)置了特殊的訪(fǎng)問(wèn)模式以加快主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)存儲(chǔ)器的速度。此時(shí)主機(jī)讀寫(xiě)HPID的內(nèi)容不用每次設(shè)置HPIA，當(dāng)主機(jī)讀 HPID時(shí)VC5402將當(dāng)前HPIA所指出的片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送到HPID寄存器，同時(shí)HPIA的內(nèi)容減1，當(dāng)主機(jī)寫(xiě)HPID時(shí)DSP先將當(dāng)前 HPIA的內(nèi)容加1，然后由此時(shí)HPIA所指出的片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送到HPID寄存器。由此可見(jiàn)此種方式比較適合于主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)DSP內(nèi)部的連續(xù)存儲(chǔ)器空間。由于DSP內(nèi)部是按著16位的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，所以主機(jī)通過(guò)8位的HPI口進(jìn)行讀寫(xiě)操作都必須由兩次操作組成，在兩次操作中由HBIL信號(hào)標(biāo)明高低位字節(jié)。

2.2. ATMEL64L簡(jiǎn)介

AVR單片機(jī)是ATMEL公司的8位高性能的低功耗微控制器。具有高級(jí)的精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)指令都是單周期指令，執(zhí)行速度快。ATMEL64L是 Atmega103的升級(jí)版，具有64k字節(jié)在線(xiàn)可編程的flash存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)程序和固定的數(shù)據(jù)。具有2k字節(jié)的EEPROM，位于數(shù)據(jù)區(qū)，可用于保存參數(shù)表。具有4k字節(jié)的SRAM，為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)建立了可能。豐富的指令集、大容量而多樣的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)增加了ATMEL64L程序設(shè)計(jì)的靈活性。另外ATMEL64L還具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，諸如：USART、SPI、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM通道、在片的模擬比較器等，提供了豐富的通信及控制資源。

2.3. 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

ATMEL64L和TMS320VC5402的HPI-8接口的硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)HPI-8接口的邏輯時(shí)序。我們研究ATMEL64L外部數(shù)據(jù)空間的讀寫(xiě)時(shí)序[2]和HPI-8接口時(shí)序[1]發(fā)現(xiàn)：AVR的ALE信號(hào)在下降沿鎖存低8位地址信號(hào)（DA7:0），而HAS信號(hào)也是在下降沿鎖存HCNTL[0..1]、HBIL和HRW信號(hào)。在 AVR的WR信號(hào)的上升沿?cái)?shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)DA7:0已處于有效狀態(tài)，在RD信號(hào)的上升沿來(lái)臨時(shí)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)DA7:0必須處于有效狀態(tài)，同時(shí)HPI- 8的兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信號(hào)HDS1和HDS2均是在上升沿將相應(yīng)的寄存器內(nèi)容設(shè)置到HD[7..0]上或是將HD[7..0]的數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器。由此可見(jiàn)HPI-8的重要控制線(xiàn)均可以和AVR相應(yīng)的控制線(xiàn)直接相連而不需要其他邏輯電路。設(shè)計(jì)的電路原理圖見(jiàn)圖1。

               圖1 電路原理圖

當(dāng)DSP退出復(fù)位狀態(tài)后，30個(gè)有效時(shí)鐘周期內(nèi)觸發(fā)了一個(gè)有效的DSP中斷2，則DSP將僅進(jìn)入HPI的 bootloader加載方式。原理圖中將HINT引腳和DSP INT2引腳直接相連就是為了DSP復(fù)位后實(shí)時(shí)的觸發(fā)DSP INT2中斷。VC5402通過(guò)ATMEL64L的INT2中斷申請(qǐng)加載DSP程序

3.HPI bootloader方式的實(shí)現(xiàn)

3.1. DSP bootloader方式簡(jiǎn)介

DSP的bootloader模式就是將DSP的程序代碼和參數(shù)表由存儲(chǔ)位置移動(dòng)到運(yùn)行位置。之所以采用這一方式主要出于以下幾方面的考慮：

1．DSP系統(tǒng)的運(yùn)行速度很快，如果程序代碼存儲(chǔ)在訪(fǎng)問(wèn)速度較慢的非易失存儲(chǔ)器，將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)處理的速度。為提高效率有必要將程序代碼移動(dòng)到快速的存儲(chǔ)空間[3]。

2．將程序代碼存儲(chǔ)位置和運(yùn)行位置分開(kāi)將有利于軟件的在線(xiàn)升級(jí)。

VC5402的片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器0xF800～0xFBFF中有TI公司固化的bootloader程序[3][4]。當(dāng)VC5402處于微計(jì)算機(jī)模式時(shí)，其復(fù)位后首先執(zhí)行bootloader程序。Bootloader程序依次掃描各種加載方式，當(dāng)某一種方式滿(mǎn)足時(shí)，程序停止掃描，開(kāi)始以此種方式加載DSP程序。這里我只介紹HPI方式的bootloader,其他方式的bootloader加載方法請(qǐng)參考[5-7]。當(dāng)DSP查詢(xún)到有INT2中斷發(fā)生時(shí)就進(jìn)入HPI方式的bootloader，清零0x007F存儲(chǔ)器單元，設(shè)置HINT信號(hào)向主機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求。查詢(xún) 0x007F單元的內(nèi)容是否為零，當(dāng)不為零時(shí)表明DSP程序加載完畢。將0x007F單元的內(nèi)容作為程序的入口地址開(kāi)始執(zhí)行加載的DSP程序。

3.2.HPI bootloader方式的軟件實(shí)現(xiàn)框架

通過(guò)CCS將DSP源程序編譯連接成COFF文件格式得到.out文件。然后，由.out文件獲得DSP代碼的二進(jìn)制文件。在A(yíng)VR的C語(yǔ)言編輯環(huán)境ICCAVR V6.30C中采用下述方法將DSP的代碼數(shù)據(jù)配置到AVR flash空間。要注意const關(guān)鍵字使用。

  /* dsp vector section data. start address = 0x1000, length = 0x78 */
const unsigned int vector[120]={0xF073,0x3000,…,0xF495};

當(dāng)DSP進(jìn)入HPI Bootloader方式時(shí)，AVR的外部中斷2產(chǎn)生。AVR響應(yīng)外部中斷2傳輸完相應(yīng)的數(shù)據(jù)段到DSP對(duì)應(yīng)的片內(nèi)存儲(chǔ)器后要撤銷(xiāo)DSP的中斷申請(qǐng)。軟件框架如下：

#pragma interrupt_handler int2_isr:4
void int2_isr(void)
{
unsigned int number;
HPIAL = 0x0f;
HPIAH = 0xff;
for(number=0;number<120;number++)    /* 傳送vector數(shù)據(jù)段 */
{
             AUTOWL = vector[number]>>8;
   AUTOWH = vector[number];
}
……                                      /* 傳送其他數(shù)據(jù)段 */
  HPIAL = 0x00;                          /* 設(shè)置DSP程序入口地址 */
HPIAH = 0x7f;
WRITEL = 0x30;
WRITEH = 0x00;
while(((PIND & 0x04)==0x00))        /* 撤銷(xiāo)DSP的中斷申請(qǐng) */
         {
HPICL = 0x0;
HPICH = 0x8;
    }
  }

4. 通信軟件設(shè)計(jì)框架

4.1. 主控器AVR命令的發(fā)布

AVR是主控器，DSP是從機(jī)。AVR和DSP之間通過(guò)DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器的命令緩沖區(qū)和響應(yīng)標(biāo)識(shí)緩沖區(qū)交換信息。AVR觸發(fā)DSP的HPI中斷通知DSP 有新的命令，DSP通過(guò)向響應(yīng)標(biāo)識(shí)緩沖區(qū)寫(xiě)入不同的內(nèi)容向AVR表明DSP所處的狀態(tài)。AVR通過(guò)查詢(xún)的方式確定DSP的處理狀態(tài)。

AVR發(fā)布命令的程序框架：
          HPIAL = 0x00;
              HPIAH = 0x60;
              WRITEL = orderhighbyte;
              WRITEH = orderlowbyte;  /* 向命令緩沖區(qū)0x60寫(xiě)入命令*/
              HPIAL = 0x00;
              HPIAH = 0x61;
              WRITEL = orderhighparameter;
              WRITEH = orderlowparameter; /*向命令緩沖區(qū)0x61寫(xiě)入命令參數(shù)*/
              HPICL = 0x0;                   /*觸發(fā)DSP中斷*/
             HPICH = 0x4;
dsphpidata = 0x00;
HPIAL = 0x00;
HPIAH = 0x62;
while((dsphpidata != 0xaa)) /*判斷響應(yīng)標(biāo)識(shí)區(qū)0x62內(nèi)容是否為0xaaaa*/
              {
                dsphpidata = READL;
              dsphpidata = READH;
              }
……

4.2. DSP對(duì)主控器命令的執(zhí)行

AVR發(fā)給DSP的命令由DSP在HPI中斷中處理。DSP需要設(shè)置命令和響應(yīng)緩沖區(qū)、處理響應(yīng)的命令和設(shè)置響應(yīng)標(biāo)志等工作。軟件設(shè)計(jì)框架如下：

interrupt void HPINT_isr(void);
#pragma DATA_SECTION(orderbuffer,"order_sec")   /* 設(shè)置命令和響應(yīng)緩沖區(qū) */
volatile unsigned int orderbuffer[8];
……
interrupt void HPINT_isr(void)
{
         switch(order[0])
         {
              case order1：              /* 處理命令1 */
                 ……
                 orderbuffer[2] = 0xaaaa;     /* 處理完命令1，設(shè)置響應(yīng)標(biāo)志 */
              break；
              ……
          }
}

5. 結(jié)論

1）  本文詳細(xì)分析了AVR和TMS320VC5402 HPI接口通信軟硬件設(shè)計(jì)，給出了硬件設(shè)計(jì)原理圖和軟件設(shè)計(jì)框架。實(shí)際測(cè)試表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案運(yùn)行可靠。

2）  利用AVR控制功能強(qiáng)、集成flash存儲(chǔ)器和DSP運(yùn)算功能強(qiáng)、程序代碼配置靈活的特點(diǎn)，形成AVR和DSP之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是一個(gè)可以選擇的合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3）  有些DSP芯片內(nèi)部集成的bootloader程序通過(guò)HPI口只能配置內(nèi)部存儲(chǔ)器，對(duì)于DSP程序比較大的系統(tǒng)僅僅利用集成的bootloader程序不能完成全部加載工作。此時(shí)用戶(hù)可以自行設(shè)計(jì)一個(gè)bootloader程序，將大的DSP程序加載到外部存儲(chǔ)器空間。

6.參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments Inc. TMS320C54x DSP Reference Set Volume 5: Enhanced Peripherals. P182～287
[2] Atmel Incorporation. ATMEL64/ATMEL64L preliminary.
[3] Texas Instruments. TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader.
[4] Texas Instruments. TMS320VC5402 FIXED POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR data sheet.
[5] Texas Instruments. A Practical Application of the TMS320C54x Host Port Interface（HPI）.
[6] 李忠,李峰. DSP編程的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2003,1:15-17.
[7] 香勇,施克仁. TMS320C54x的加載引導(dǎo). 國(guó)外電子元器件, 2003,3:4-7.