I2C總線實現(xiàn)TMS320VC5509A引導裝載設(shè)計

1 引言

    DSP芯片的Bootloader程序用于上電時將用戶程序從外部非易失性、慢速存儲器或外部控制器中裝載到片內(nèi)高速RAM中，保證用戶程序在DSP內(nèi)部高速運行，TI公司的C55x系列DSP芯片提供多種裝載模式，主要包括HPI引導裝載、串行E2ROM引導裝載、并行引導裝載、串行口引導裝載、I2C總線E2ROM引導裝載等，通常使用的是并行引導裝載模式，該方式引導速度快實現(xiàn)簡單，但是體積和功耗也較大，隨著串行接口存儲設(shè)備容量的提高，串行引導方式體積小、功耗低的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來了，所以使用ARM的串行接口對DSP進行引導裝載，不僅能省去存儲芯片，而且利用ARM的ISP功能，可以根據(jù)需要改變用戶程序，有利于系統(tǒng)的維護和升級。

    本文以TMS320VC5509A芯片引導裝載為例，詳細介紹了利用ARM通過I2C串行引導方式來實現(xiàn)程序的引導裝載，其他引導過程可參考相關(guān)技術(shù)資料[1]。

    TMS320VC5509A是TI公司一款16位定點低功耗DSP芯片，其指令周期最快為5ns，片內(nèi)擁有128×16k高速RAM，性價比很高，被廣泛用于嵌入式手持設(shè)備、通信、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。

    TI公司的DSP芯片出廠時，在片內(nèi)ROM中固化有引導裝載程序（Bootloader），其主要功能就是將外部的程序裝載到片內(nèi)RAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，C55x系列DSP其Bootloader程序位于片內(nèi)ROM空間的0xFF0000-0xFF8000處，進入Bootloader程序后，程序先對DSP進行初始化，配置DSP的堆棧寄存器、中斷寄存器和DSP狀態(tài)寄存器，保證在引導裝載用戶程序時不會被中斷，從而引導程序加載失敗。

    由于DSP可以通過自舉表對寄存器進行修改，需要注意在Bootloader程序運行時，盡量不要修改Bootloader程序配置過的中斷控制寄存器，否則會導致不可預(yù)料的后果。

2.1 I2C引導模式硬件連接

    為了通過I2C總線來實現(xiàn)對DSP引導裝載，通常情況是選擇具有I2C總線接口的E2ROM，電路框圖如圖1所示，其中GPIO0-GPIO3是用來選擇Bootloader引導模式，當DSP復位后對這4個管腳電平采樣，根據(jù)不同的組合進入到對應(yīng)的Bootloader程序，表1列出了GPIO0-GPIO3的管腳不同狀態(tài)的組合以及對應(yīng)的Bootloader引導方式。SDL和SDA分別為I2C的時鐘和數(shù)據(jù)線，其上拉電阻的大小取決于所連接I2C設(shè)備的多少[2]。

    如果通過I2C總線對DSP實現(xiàn)引導裝載，對存儲數(shù)據(jù)的I2C設(shè)備有如果幾點要求：

    （1）該設(shè)備首先必須兼容Philips的I2C總線規(guī)范V2.1，工作在從設(shè)備模式，并且其從設(shè)備地址為0x50。

    （2）設(shè)備內(nèi)部使用兩個字節(jié)尋址，即在接收到主機寫命令后，其后接收到的數(shù)據(jù)是16位的地址數(shù)據(jù)。

    （3）對設(shè)備讀取時，相關(guān)設(shè)備必須支持自動尋址增量，即每讀一次，其內(nèi)部地址指針自增1，保證程序按順序讀出。

     常用的I2C接口E2ROM有ST公司的M24系列及Philips的PCF85系列的E2ROM，根據(jù)程序大小選擇相應(yīng)的芯片，需要注意的是I2C引導模式最多支持64kB的數(shù)據(jù)。

    在I2C引導模式運行時，DSP作為主設(shè)備來控制I2C總線的時鐘，對于DSP來說，SCL必須滿足根據(jù)方程（1）所得到的速率，而I2C引導模式支持的最高時鐘速率為400kHz，所以如果想利用I2C引導模式，DSP上電時輸入時鐘就不能大于12MHz。

     SCL（高）=SCL（低）=15×（DSP輸入時鐘周期） （1）

2.2 I2C引導模式數(shù)據(jù)存儲方式

     為了能正確地將數(shù)據(jù)從外部存儲器搬移至DSP內(nèi)部，用戶程序需要將數(shù)據(jù)按照一定格式存儲在E2ROM中，按照這些格式存儲的數(shù)據(jù)便是自舉表（Boot table），自舉表是Bootloader程序能正常運行的保證，只有將數(shù)據(jù)按照自舉表的要求存儲，用戶程序才能被搬移到DSP內(nèi)部正常運行，在自舉表中除了用戶數(shù)據(jù)外還需要一些Bootloader控制數(shù)據(jù)，如程序入口地址（entry point address）、寄存器配置（register configurations）和可編程延遲（programmable delay）等，自舉表的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    其中程序入口地址在將用戶程序搬移至DSP內(nèi)部后，用戶程序從該地址處開始運行，通常情況是中斷向量表的reset處，在Bootloader搬移數(shù)據(jù)之前，如果需要可以改變某些寄存器的值，如DSP的clock配置寄存器、EMIF配置等，通過自舉表配置這些寄存器后，需要一定時間才能正常工作，否則會導致引導程序失敗。延遲計數(shù)器是讓Bootloader推遲相應(yīng)的CPU周期再進行數(shù)據(jù)搬移，確保引導程序正常工作，由于DSP是采用分段格式來組織數(shù)據(jù)的，如代碼段、數(shù)據(jù)段和用戶自定義數(shù)據(jù)段等，所以生成的自舉表也是按照對應(yīng)格式來建立的分段存儲，這樣有利于程序維護，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

    在自舉表的最后，是連續(xù)的4個字節(jié)的全零數(shù)據(jù)，其目的是為了告訴DSP程序引導完成，可以傳至程序入口執(zhí)行，同時DSP也發(fā)出指示給外部存儲設(shè)備告知引導結(jié)束，在I2C模式中，作為主機接收設(shè)備的DSP信號將會在接收到結(jié)束標志后在數(shù)據(jù)總線上給出停止標志，用來結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

    要建立自舉表，可以利用TI提供的HEX轉(zhuǎn)換程序（HEX55.exe），將生成的連接文件轉(zhuǎn)換成用于存儲器的數(shù)據(jù)格式[1]。首先，需要建立一個CMD（鏈接命令文件linker command file）文件，輸入需要的鏈接選項，HEX55利用該文件提供的各種選項來轉(zhuǎn)換文件，下面是一個為I2C引導方式建立的CMD文件和其選項以及具體含義：
 
    通常情況下還需定義采用某種方式如-Serial8、-parallel16等選項，表示采用何種Boot方式從而生成對應(yīng)的存儲格式，由于采用了I2C模式來引導，所以這些選項可以不使用，另外還可以使用-reg_config和-delay選項，分別來設(shè)置需要改變的寄存器值以及需要延遲的CPU周期數(shù)，最后需要注意的是HEX55程序要使用v2.1及后續(xù)版本，早期版本生成的自舉表不能正確引導程序。

3 ARM端設(shè)計

    上面介紹了利用I2C接口的E2ROM來實現(xiàn)引導裝載的硬件連接和需要的數(shù)據(jù)存儲形式，實際利用ARM自身的I2C控制器，將自舉表存儲在ARM的FLASH中，并且讓ARM按照I2C引導模式中E2ROM的時序向DSP發(fā)送對應(yīng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對DSP的引導裝載，所選用的ARM是Philips的LPC2138。LPC2813是基于32b ARM7的內(nèi)核，內(nèi)部擁有多達512k的高速FLash和32k的靜態(tài)RAM，其工作頻率可達60MHz，其I2C總線控制器支持I2C所有工作模式，這些在用于引導DSP時就不用使用端口來模擬I2C時序，使用十分方便，引導DSP時，只要ARM按照對應(yīng)的順序來發(fā)送數(shù)據(jù)，就能實現(xiàn)DSP的程序引導，使用ARM引導時，只需將圖1中的SCL和SDA分別與ARM的SCL和SDA連接即可。

    Bootloader使用I2C讀取數(shù)據(jù)時其時序如圖2所示。引導開始后，DSP首先會使用隨機讀取指令（random read command）從0x0000地址處讀取數(shù)據(jù)，該讀取指令由一個虛假的寫指令和當前地址讀取指令（current address read command）組成，ARM正確響應(yīng)該指令后，DSP便繼續(xù)采用當前地址讀取指令讀取剩余數(shù)據(jù)。

    在LPC2138中，I2C總線有專門的控制器，并且每次接收到數(shù)據(jù)后對應(yīng)的I2C狀態(tài)寄存器會以不同的代碼來表示當前I2C總線狀態(tài)，用戶可以根據(jù)不同的狀態(tài)來進行下一步的操作[3]，整個引導過程就是ARM根據(jù)不同的總線狀態(tài)來發(fā)送或接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使用ARM引導DSP程序加載時，ARM作為從設(shè)備工作，在兩種工作模式之間切換，分別為從設(shè)備接收（slave receiver和從設(shè)備傳輸（slave transmitter）。

    下面介紹ARM端程序的運行狀況，程序中首先通過I2C地址寄存器（I2ADDR）將ARM的從設(shè)備地址置為0x50，再利用I2C置位控制寄存器（I2CONSET）將其中的I2EN和AA置1，這樣ARM就工作在從設(shè)備模式，一旦I2C總線接收到有效數(shù)據(jù)，程序就進入到中斷服務(wù)程序中運行，用戶程序根據(jù)I2C狀態(tài)寄存器（I2STAT）的值判斷當前狀態(tài)從而進入下一步操作，圖3為中斷服務(wù)程序工作流程。

    圖3中State代表接收到數(shù)據(jù)后，I2C狀態(tài)寄存器中的值，不同的值代表總線上可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)。0xA0代表程序收到的是start或是stop標志，返回主程序繼續(xù)等待中斷，0x60代表接收到自己的從設(shè)備地址和寫命令，并返回ACK信號，Count1代表收到的寫命令次數(shù)，由于整個引導過程中只能接收到一次寫命令，所以只要Count大于1則接收出錯，需要重新啟動引導程序，利用ARM控制DSP的復位信號重新開始引導過程，直至成功引導，0x80表示ARM進入了從設(shè)備接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，并且前邊已經(jīng)收到了本機的設(shè)備地址，此次接收到了數(shù)據(jù)并返回ACK信號，I2DAT在從設(shè)備接收模式時存儲接收到的數(shù)據(jù)，發(fā)送模式時存儲待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，引導開始后，連續(xù)兩次接收的數(shù)據(jù)應(yīng)該為0，若并不為0，表示引導程序出錯，需要復位DSP重新開始接收。

    Count為連續(xù)兩次接收數(shù)據(jù)0的計數(shù)器，一旦滿足條件，將發(fā)送緩沖區(qū)的首地址取出存儲在Trans_addr中，0xA8代表接收到當前地址讀取命令，一旦接收到此命令，將待發(fā)送數(shù)據(jù)取出送入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器I2DAT，以便下一次傳輸時將數(shù)據(jù)送出，0xC0表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，而且沒有收到ACK信號，意味著當前地址讀取命令結(jié)束，此時將發(fā)送緩沖區(qū)地址加1，取出下一次待發(fā)送數(shù)據(jù)地址，這樣便完成了1個字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，整個引導過程一直到DSP收到自舉表結(jié)束標志后停止，需要注意的是，I2C中斷標志位需要通過軟件清除，每次中斷返回時都必須用I2C清零控制寄存器（I2CONCLR）手動清除I2C控制寄存器中的中斷標志。

    按照上述方法就完成了I2C引導裝載模式，用戶可以在程序中加入測試程序，通過控制GPIO高低變化生成脈沖，利用示波器觀察從而判斷程序引導是否成功。

4 結(jié)語

    本文提出的引導方式已經(jīng)成功地應(yīng)用于一款低功耗、小型戶數(shù)傳設(shè)備當中，免去了對外部存儲器的編程，特別有利于設(shè)備的升級和維護。