鐵電存儲器FM18L08在DSP系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者Email:   zk197911@yahoo.com.cn

    [摘  要]  介紹了一種新型鐵電存儲器FM18L08，同時還分析了TMS320VC5402 DSP的并行引導(dǎo)裝載模式，給出了一種基于鐵電存儲器FM18L08的DSP脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計方案，并且該方案已成功的應(yīng)用到一種語音門鎖系統(tǒng)中。

    [關(guān)鍵詞]  DSP；鐵電存儲器；并行引導(dǎo)裝載模式

    1 引  言

     鐵電存儲器（FRAM）是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器，它結(jié)合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM克服了EEPROM和FLASH寫入時間長、擦寫次數(shù)低的缺點(diǎn)，其價格又比相同容量的不揮發(fā)鋰電SRAM低很多，已在地鐵系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)及IT工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

    TMS320VC5402（以下簡稱C5402）是美國德州儀器公司（TI）推出的一款性價比極高的16bit定點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP），操作速率可達(dá)100MIPS，它豐富的內(nèi)部資源配置為用戶構(gòu)造系統(tǒng)提供了很大便利，已經(jīng)在通信、電子、圖象處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，C5402是RAM型器件，掉電后不能保持任何用戶信息，所以需要用戶把程序代碼放在不揮發(fā)的存儲器內(nèi)，在系統(tǒng)上電時，通過執(zhí)行自行引導(dǎo)裝載（Bootloader）程序?qū)⒋鎯υ谕獠棵浇橹械拇a裝載到C5402高速的片內(nèi)存儲器或系統(tǒng)中的擴(kuò)展存儲器內(nèi)，裝載成功后自動去執(zhí)行代碼，完成自啟動。
 基于實(shí)踐經(jīng)驗，本文介紹了一種并行接口鐵電存儲器FM18L08的特點(diǎn)，同時還分析了C5402 并行引導(dǎo)裝載模式的特點(diǎn)，給出了一種基于鐵電存儲器FM18L08和C5402接口的設(shè)計方案, 實(shí)現(xiàn)了基于并行引導(dǎo)裝載模式的DSP脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計，并且該設(shè)計方案已成功的應(yīng)用到一種語音門鎖系統(tǒng)中。

    2  FM18L08  FRAM的特點(diǎn)

     Ramtron’s   FRAM存儲器技術(shù)的核心是微小的鐵電晶體集成到記憶體單元，以至于它能象快速的不揮發(fā)RAM一樣操作。 當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體，中心原子順著電場的方向移動。 移去電場，中心原子保持不動，保存記憶體的狀態(tài)， FRAM 記憶體不需要定期刷新，掉電后立即保存數(shù)據(jù)。

    FM18L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為32k╳8bits  FRAM，其主要特點(diǎn)如下：3.0-3.65V單電源供電；并行接口；提供SOIC和DIP兩種封裝；功耗低，靜態(tài)電流小于15uA，讀寫電流小于10mA；非揮發(fā)性，掉電后數(shù)據(jù)能保存10年；讀寫無限次。

    FM18L08引腳結(jié)構(gòu)如圖1：
    /CE：片選
    /WE：寫使能
    /OE：輸出使能
    A0-A14：地址端
    DQ0-DQ7：數(shù)據(jù)端
    VDD：電源
    VSS：地

3 C5402并行引導(dǎo)裝載模式設(shè)計

3.1 C5402系統(tǒng)的程序引導(dǎo)裝載模式類型：

    C5402提供以下幾種引導(dǎo)裝載模式類型：

①     HPI（主機(jī)接口）引導(dǎo)裝載模式

欲執(zhí)行的程序代碼通過主機(jī)接口總線由外部處理器加載至DSP片內(nèi)存儲器中。當(dāng)外部處理器將被加載代碼的起始地址（C5402片內(nèi)地址007FH）的內(nèi)容改變，便開始執(zhí)行引導(dǎo)裝載程序。

②     8位/16位并行引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過外部并行接口總線讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。外部數(shù)據(jù)單元中的數(shù)據(jù)是按照一定格式存儲的，其信息包括：欲加載的各段程序代碼、各段程序代碼長度、各段程序代碼存放的目標(biāo)地址、程序代碼的入口地址以及其他配置信息。

③     8位/16位標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)模式的多通道緩沖串口（McBSP）讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。多通道緩沖串口1（McBSP1）支持8位串行接收方式，多通道緩沖串口0（McBSP0）支持16位串行接收方式。

④ 8位串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過一串聯(lián)的EEPROM讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。在此種方式中，EEPROM與設(shè)置為SPI工作模式的McBSP1相連接。

⑤I/O引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過外部并行接口總線地址為00H的I/O口讀取數(shù)據(jù)。該外部并口接口總線使用異步握手協(xié)議（使用C5402的XF和BIO引腳），使數(shù)據(jù)傳輸速度可按外部存儲器設(shè)備的要求執(zhí)行。

3.2 C5402并行引導(dǎo)裝載模式設(shè)計

   當(dāng)C5402工作在微計算機(jī)模式(MP/MC=0)時,上電后自動運(yùn)行Bootloader程序，按照HPI引導(dǎo)裝載模式      串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式     并行引導(dǎo)裝載模式      標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式

      I/O口引導(dǎo)裝載模式的順序循環(huán)檢測，以決定執(zhí)行哪種啟動模式。

       對于以C5402為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)來說，并行引導(dǎo)裝載模式被認(rèn)為是最適用的。因為HPI引導(dǎo)裝載模式、標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式和I/O口引導(dǎo)裝載模式只適用于由其它處理器為C5402提供運(yùn)行代碼的多處理器系統(tǒng)中，串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式只支持價格偏高的SPI端口EEPROM，而并行引導(dǎo)裝載模式可采用的并行EEPROM和Flash種類很多，有的價格比較低，操作起來比較簡單，因而并行引導(dǎo)加載方案是最佳選擇。

為使C5402能有效地把外擴(kuò)FRAM中的程序引導(dǎo)到芯片內(nèi)RAM，需要編制一個引導(dǎo)表。引導(dǎo)表定位于數(shù)據(jù)空間的4000h～FFFFh段，引導(dǎo)表的內(nèi)容包含如下幾個方面：（1）引導(dǎo)方式的標(biāo)識；（2）程序存放的目標(biāo)首地址；（3）程序執(zhí)行的入口址址；（4）用戶程序代碼；（5）用戶程序塊長度。引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1并行引導(dǎo)裝載模式引導(dǎo)表

片內(nèi)ROM的引導(dǎo)程序首先讀取I/O空間的FFFFh地址內(nèi)容（指定為8000h）作為引導(dǎo)表的起始地址，通過判別引導(dǎo)表起始地址內(nèi)的引導(dǎo)標(biāo)識來確定是8位并行還是16位并行引導(dǎo)方式。若引導(dǎo)標(biāo)識是10AAh，則是16位的并行引導(dǎo)方式；若引導(dǎo)標(biāo)識是08AAh，則是8位的并行引導(dǎo)方式。當(dāng)從I/O空間FFFFh地址讀取不到有效的引導(dǎo)標(biāo)識時，片內(nèi)ROM的引導(dǎo)程序即讀取數(shù)據(jù)空間FFFFh的內(nèi)容作為引導(dǎo)表的起始地址。同樣通過判別引導(dǎo)表起始地址內(nèi)的引導(dǎo)標(biāo)識來確定是8位并行還是16位并行引導(dǎo)方式。當(dāng)EPROM數(shù)據(jù)位寬是8bit時，則要讀取數(shù)據(jù)空間FFFFh地址的內(nèi)容（低字節(jié)）和FFFEh地址的內(nèi)容（高字節(jié)）作為引導(dǎo)表的起始地址。

8bit 并行引導(dǎo)裝載的實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示。其中A15經(jīng)過非門與/MSTRB相或是為了防止C5402的內(nèi)部16K DARAM（0000H-3FFFH）與外部FRAM沖突，同時，對應(yīng)上并行引導(dǎo)裝載模式的引導(dǎo)表設(shè)置相對應(yīng)。

 圖1 硬件系統(tǒng)原理圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

這個系統(tǒng)中，軟件編程的核心在于按照特定的格式將數(shù)據(jù)寫到FM18L08 FRAM中，下面具體介紹軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法。

在TI公司的軟件開發(fā)工具CCS（Code Composer Studio）中，匯編器和連接器創(chuàng)建的目標(biāo)文件采用COFF（Common Object File Format）格式，代碼和數(shù)據(jù)都按段（Section）來組織設(shè)計。先通過CCS將程序下載到硬件系統(tǒng)的C5402的片內(nèi)DARAM中，再運(yùn)行程序?qū)⑺钄?shù)據(jù)及程序按照表1的格式寫到FM18L08 FRAM（對應(yīng)于DSP數(shù)據(jù)尋址的08000h—0FFFFh）中，斷開硬件系統(tǒng)與CCS環(huán)境的聯(lián)系，重新上電或復(fù)位C5402，將看到燈在閃爍，此時硬件系統(tǒng)已經(jīng)可以脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行了。

.mmregs
  .data
table:.word 08aah   ；16位引導(dǎo)標(biāo)志
.word 7fffh,8806h  ；SWWSR寄存器初值和BSCR寄存器初值
  .word 0000h,080h,00044h ；程序入口XPC、程序入口地址和程序段長度
  .word 0000h,080h  ；存放目標(biāo)XPC和存放目標(biāo)地址
  .global  main
  .text
main:
  stm #07fh,sp
  stm #0fffeh,ar1  ；向FRAM的07FFEh單元寫入80h
  st #080h,*ar1+
  nop
  st   #00h,*ar1   ；向FRAM的07FFFh單元寫入00h
  nop
  stm #table,ar1   ；向FRAM的0000h開始單元依次寫入引導(dǎo)表要求的內(nèi)容
  stm #07h,brc
  stm #8000h,ar2
  rptb loopa
  ld *ar1+,a
  nop
  stl  a,*ar2+
  ld a,-8,a
  stl  a,*ar2+
loopa:  nop
  nop
  stm #start,ar1   ；向FRAM中寫入運(yùn)行程序代碼
  stm #21h,brc
  nop
  ld *ar1+,a
  stl  a,*ar2+
  ld a,-8,a
  stl  a,*ar2+
loopb: nop
  nop
  ld  #00h,a
  nop
  stl  a,*ar2+
  stl  a,*ar2
 b $
.sect "chengxu"   ；脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)程序
start:  rsbx xf      ；燈亮
  ……   
  ssbx xf       ；燈滅
   ……
  b start 
  ret       
  .end

主程序中，data段為上電引導(dǎo)程序提供了需要加載的各代碼段的長度、源地址和目的地址這幾個參數(shù)。其中，代碼段長度既可以根據(jù)載入DSP系統(tǒng)后在CCS反匯編窗口算得，也可以從連接生成的映像文件（后綴為.map）中得到。

5 結(jié)束語

本文介紹的基于鐵電存儲器FM18L08的DSP 并行引導(dǎo)裝載方案，可以在無需專用燒寫器的情況下，實(shí)現(xiàn)DSP脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計，并且該方案已成功的應(yīng)用到一種語音門鎖系統(tǒng)中。實(shí)驗結(jié)果表明，該方法具有簡化接口電路、節(jié)省系統(tǒng)資源、性價比高的優(yōu)點(diǎn)。

但是，如果脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)程序超過了64K字節(jié)，只能采用另外的替代方法，這是在一些電路設(shè)計方案論證時需要考慮的問題。

作者Email:   zk197911@yahoo.com.cn