MCU+DSP嵌入式平臺(tái)的i機(jī)接口與引導(dǎo)設(shè)計(jì)

1 引言
    自動(dòng)化控制要求實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，快速控制，多樣分析，通信靈活，雖然采用單個(gè)處理器構(gòu)成的硬件平臺(tái)不能滿足要求。采用以MCU+DSP雙處理器為核心的硬件平臺(tái)則是較合理的設(shè)計(jì)方案。利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析、計(jì)算；MCU完成管理、通信、人機(jī)接口等異步系統(tǒng)控制功能。該硬件平臺(tái)的MCU與DSP接口設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，將直接影響系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)傳輸效率。數(shù)據(jù)傳輸通常采用雙端口RAM、串行通信、并行主機(jī)等接口方式。其中，并行主機(jī)接口的方式可以滿足大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸要求。這里以MCF5272型和ADSP-BF527型數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)建一種MCU+DSP雙處理器的嵌入式平臺(tái)，詳細(xì)論述DSP通過(guò)主機(jī)DMA端口(Host DMA Port，簡(jiǎn)稱HOSTDP)實(shí)現(xiàn)主機(jī)引導(dǎo)加載程序以及DSP與主機(jī)的通信。

2 MCU+DSP雙處理器接口設(shè)計(jì)
    圖l為MCU+DSP雙處理器ADSP-BF527與MCF5272的接口電路。該嵌入式平臺(tái)采用ColdFire系列的MCF5272型MCU作為主機(jī)。MCF5272具有基于第二代ColdFire V2的內(nèi)核，32位數(shù)據(jù)和地址總線，SDRAM接口，4個(gè)16位定時(shí)器，3通道PWM輸出，主頻高達(dá)66 MHz，豐富的外部接口和較強(qiáng)的通信功能。此外，該器件還具有出色的編碼密度和系統(tǒng)性能。

    該系統(tǒng)DSP采用ADSP-BF527型數(shù)字信號(hào)處理器，該器件采用了微信號(hào)架構(gòu)(MSA)，時(shí)鐘頻率達(dá)600 MHz，功耗低至O．8 V，支持強(qiáng)大的片上總線系統(tǒng)，具有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，擁有較強(qiáng)的并行數(shù)據(jù)處理能力。ADSP-BF527帶有一個(gè)HOSTDP，便于與外部主機(jī)構(gòu)成雙處理器架構(gòu)，完成多種數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)。ADSP-BF527的HOSTDP內(nèi)部分為主機(jī)外部接口模塊(HEI)、外圍訪問(wèn)總線(PAB)接口模塊、FIFO模塊、控制邏輯模塊和DMA接口模塊。
    圖1中，接口電路各信號(hào)的功能為：HWAIT為握手信號(hào)，防止Boot Kernel忙時(shí)主機(jī)寫數(shù)據(jù)；HOST_DATA為16位數(shù)據(jù)總線，主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)交換的通道；HOST_ADDR為訪問(wèn)屬性信號(hào)，O表示訪問(wèn)數(shù)據(jù)接口，l表示訪問(wèn)配置接口；HOST_CE為主機(jī)對(duì)從機(jī)使能；HOST_WR為主機(jī)寫入HOSTDP使能信號(hào)；HOST_RD為主機(jī)讀取HOSTDP使能信號(hào)；HOST_ACK為數(shù)據(jù)傳輸握手信號(hào)，應(yīng)答模式下為HRDY，中斷模式下為FRDY；TOUT為讀寫操作超時(shí)信號(hào)，應(yīng)答模式下Host—Timeout計(jì)數(shù)溢出時(shí)產(chǎn)生；BMODE[3：0]為啟動(dòng)模式設(shè)置信號(hào)。

3 ADSP—BF527啟動(dòng)與程序加載
    ADSP—BF527復(fù)位包括硬件和軟件復(fù)位，復(fù)位中斷優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)釋放RESET信號(hào)后，該處理器開始從片內(nèi)BootROM的0xEF00 0000地址讀取指令并執(zhí)行。片內(nèi)Boot ROM含有一個(gè)Boot引導(dǎo)核，用于預(yù)引導(dǎo)和加載用戶數(shù)據(jù)。
3．1 預(yù)引導(dǎo)
    ADSP—BF527復(fù)位后，Boot引導(dǎo)核首先調(diào)用Preboot子程序。Preboot子程序通過(guò)訪問(wèn)一次可編程ROM(OTP)中的工廠設(shè)置頁(yè)(FPS)和預(yù)引導(dǎo)設(shè)置頁(yè)(PBS)來(lái)設(shè)置系統(tǒng)映射寄存器(MMR)，包括鎖相環(huán)(PLL)、電源調(diào)節(jié)、SDRAM控制器、異步外部總線接口單元(EBIU)、HWAIT的信號(hào)模式以及0TP定制引導(dǎo)。
    PBS由用戶設(shè)置，每次使用4頁(yè)。當(dāng)PBS出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可置0TPINVALID位，使其無(wú)效，再使用下一個(gè)4頁(yè)。如果設(shè)置PBS首頁(yè)的PLL和電源調(diào)節(jié)錯(cuò)誤，可采用BMODE=0000引導(dǎo)模式補(bǔ)救。該模式預(yù)引導(dǎo)程序不讀取PBS頁(yè)，F(xiàn)PS處理后，ADSP-BF527處理器變?yōu)榭臻e狀態(tài)。
    處于安全考慮，PBS頁(yè)設(shè)置引導(dǎo)模式禁止／使能位，禁止其他引導(dǎo)方式。這樣即使BMODE引腳設(shè)置對(duì)應(yīng)這些禁止引導(dǎo)方式，不會(huì)引導(dǎo)Boot引導(dǎo)核進(jìn)入空閑狀態(tài)。

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3．2 引導(dǎo)模式設(shè)置
    預(yù)引導(dǎo)結(jié)束后，Boot引導(dǎo)核根據(jù)BMODE[3：0]引腳設(shè)置啟動(dòng)相應(yīng)的引導(dǎo)方式加載用戶數(shù)據(jù)(引導(dǎo)流)。引導(dǎo)流為已定義格式，包含若干數(shù)據(jù)塊和特殊指令，每數(shù)據(jù)塊都含有一個(gè)16字節(jié)的塊頭，該塊頭由DSP的開發(fā)工具Visual DSP++設(shè)置生成，用于指示引導(dǎo)核是否完成引導(dǎo)過(guò)程。BMODE[3：0]引腳設(shè)置的引導(dǎo)模式包括無(wú)引導(dǎo)、主機(jī)引導(dǎo)和從機(jī)引導(dǎo)模式。引導(dǎo)模式設(shè)置如表1所示。
    其中無(wú)引導(dǎo)模式由廠商編程設(shè)置0TP頁(yè)完成。主機(jī)引導(dǎo)模式中DSP自行加載用戶數(shù)據(jù)．通常是從并行接口的Flash或者SPI、TWI接口的存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)。從機(jī)模式DSP作為從機(jī)，主機(jī)控制RESET信號(hào)。通常主機(jī)先設(shè)置RESET信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè)HWAIT引腳等待預(yù)引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)，最后提供加載用戶數(shù)據(jù)。
3．3 HOST DMA引導(dǎo)模式
    該系統(tǒng)為MCU+DSP架構(gòu)，主處理器MCF5272通過(guò)HOSTDP控制從機(jī)ADSP-BF527。ADSP—BF527的程序作為MCF5272數(shù)據(jù)寫入Flash存儲(chǔ)器中。該系統(tǒng)加電復(fù)位后，MCF5272向從機(jī)加載程序并引導(dǎo)啟動(dòng)。因此采用HOST DMA引導(dǎo)設(shè)計(jì)較靈活，獨(dú)立存儲(chǔ)器個(gè)數(shù)少，提高性能并降低成本。系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，F(xiàn)lash中ADSP-BF527程序通過(guò)修改主機(jī)通信接口，提高產(chǎn)品維護(hù)效率。該設(shè)計(jì)的BMODE[3：0]引腳電平設(shè)置為1110，采用從機(jī)16位HOSTDP引導(dǎo)模式。
    當(dāng)主機(jī)復(fù)位ADSP—BF527后，ADSP-BF527可從片上BootROM的0xEF00 0000地址執(zhí)行預(yù)引導(dǎo)程序。預(yù)引導(dǎo)結(jié)束后，向主機(jī)發(fā)送HWAIT信號(hào)，主機(jī)開始向ADSP—BF527加載用戶數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)加載完成后，主機(jī)發(fā)送HIR9命令，ADSP-BF527引導(dǎo)核執(zhí)行調(diào)用指令，程序指針跳至EVTl寄存器內(nèi)用戶應(yīng)用程序的首地址，將控制權(quán)交給用戶應(yīng)用程序。此時(shí)，引導(dǎo)結(jié)束。ADSP-BF527處理器繼續(xù)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。

4 HOSTDP數(shù)據(jù)傳輸
    ADSP-BF527通過(guò)外設(shè)接口總線設(shè)置HOST CONTROL寄存器的HOST_EN位使能HOSTDP。如果禁止HOSTDP，應(yīng)在清除HOST_EN位前將HOST_RST置位。一旦使能HOSTDP則由外部主機(jī)控制。外部主機(jī)通過(guò)編程設(shè)置DMA發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)到ADSP-BF527有效的內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器中。
4．1 HOSTDP設(shè)置
    數(shù)據(jù)傳輸前，主機(jī)需配置DMA控制器。主機(jī)首先讀取從機(jī)HOST_STATUS寄存器的ALLOW_CNFG位。如果允許配置，主機(jī)將向HOSTDP發(fā)送7個(gè)16位控制字。主機(jī)通過(guò)這些控制字配置HOSTDP的DMA讀寫、DMA模式、起始地址等參數(shù)。接收所有控制字后，ADSP-BF527根據(jù)控制字重新配置HOETDP。在配置完成前，主機(jī)處理器不允許提供新控制字。通過(guò)寫入控制字，該設(shè)計(jì)將DMA設(shè)置為應(yīng)答模式，數(shù)據(jù)傳輸采用停止模式。
    總線寬度16位，以先傳輸?shù)臀粩?shù)據(jù)的順序傳輸數(shù)據(jù)。配置完成后，主機(jī)以所配置的方式讀寫數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)ADSP-BF527軟件編程設(shè)置控制寄存器中HER和EHW位使能或禁止主機(jī)讀寫HOSTDP，HER和EHW的設(shè)置，不會(huì)影響到寫配置口、控制命令和讀狀態(tài)。由于主機(jī)不能查詢HOSTDP的HER和EHW位，因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)ADSP-BF527一直保持HER和EHW位使能。
4．2 數(shù)據(jù)讀寫流程
    當(dāng)使能HOSTDP,DMA通道配置后，主機(jī)通過(guò)所配置的DMA通道與ADSP—BF527通信。數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，在有效數(shù)據(jù)的最后需附加一個(gè)傳輸終止字確保數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)寫操作用于主機(jī)向從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。MCF5272將ADSP-BF527所需的信號(hào)與設(shè)置寫入HOSTDP的FIFO，DMA同時(shí)將從FIFO移出數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到DMA配置字規(guī)定的存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)讀操作用于從機(jī)向主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。ADSP—BF527的DMA將從機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果移至HOSTDP的FIFO。主機(jī)執(zhí)行讀操作，從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。
    停止模式下ADSP-BF527的HOSTDP讀寫操作流程如圖2所示。其中，DMA_DONE位在DMA將FIFO數(shù)據(jù)移出后置1，在下一次主機(jī)寫數(shù)據(jù)時(shí)置O。HOSTRD_DONE位在主機(jī)將FIFO的數(shù)據(jù)移出后置l，下一次主機(jī)讀操作，DMA向FIFO傳輸數(shù)據(jù)時(shí)置為0。

    應(yīng)答模式下，主機(jī)對(duì)HOSTDP的操作時(shí)序如圖3所示。在預(yù)定讀寫溢出時(shí)間內(nèi)，ADSP-BF527仍未完成相應(yīng)的讀寫操作，主機(jī)未接收到HRDY信號(hào)，主機(jī)超時(shí)寄存器計(jì)數(shù)溢出并產(chǎn)生超時(shí)中斷。該設(shè)計(jì)的中斷服務(wù)程序首先通過(guò)GPIO引腳告知主機(jī)數(shù)據(jù)讀寫失敗，停止DMA通道數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)主機(jī)重置HRDY信號(hào)為高電平，允許下一周期繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；并禁止HOSTDP，在停止模式下，具體的主機(jī)讀寫數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    隨著自動(dòng)化領(lǐng)域監(jiān)測(cè)、控制任務(wù)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求不斷提高，多處理器硬件系統(tǒng)模式的快速發(fā)展，電子技術(shù)和半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展促使DSP和MCU的融合。因此，MCU+DSP的雙處理器結(jié)構(gòu)已成為多核處理器的發(fā)展方向。