ARM CPU S3C44B0X與C54X DSP的接口設(shè)計(jì)

摘要：以SAMSUNG公司的ARM SOC芯片S3C44B0X和TI公司的TMS320C5416 DSP為例，講述了ARM與DSP的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，并結(jié)出了硬件連接圖和軟件代碼。 關(guān)鍵詞：ARM S3C44B0X 主機(jī)接口(HPI) TMS320C5416 后PC時(shí)代，嵌入式產(chǎn)品逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)。而這些嵌入式產(chǎn)品的核心——處理器決定了產(chǎn)品的市場(chǎng)和性能。高性能、低功耗、低成本是嵌入式處理器的主要特點(diǎn)。在32位嵌入式處理器市場(chǎng)中，ARM占有78.6%的份額。而TI而占有DSP市場(chǎng)的絕大部分份額。通常的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由微控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，由DSP來(lái)執(zhí)行計(jì)算密集型操作，然后通過(guò)一定的手段實(shí)現(xiàn)微控制器與DSP之間的通信和數(shù)據(jù)交換。因此，如何高效地設(shè)計(jì)控制器(ARM)與DSP之間的接口以滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。 1 ARM CPU S3C44B0X的特點(diǎn) ARM是一款32位的精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu)，以其高性能、低功耗、低成本占有市場(chǎng)。由于ARM公司采用IP授權(quán)的方式經(jīng)營(yíng)，全球幾乎所有的大半導(dǎo)體公司都有基于ARM的SOC芯片。

S3C44B0X是SAMSUNG(三星)公司一款基于ARM7TDMI的SOC芯片。它一方面具有ARM處理器的所有優(yōu)點(diǎn)：低功耗、高性能;同時(shí)又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其特點(diǎn)如下： %26;#183;采用ARM7TDMI內(nèi)核，I/O電壓3.3V，內(nèi)核電壓2.5V; %26;#183;內(nèi)置鎖相環(huán)(PLL)，系統(tǒng)主頻最高達(dá)66MHz; %26;#183;4種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)電源管理以降低系統(tǒng)功耗; %26;#183;8KB的系統(tǒng)高速緩存(CACHE)，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度; %26;#183;支持8個(gè)MEMORY BANK，最大外部存儲(chǔ)空間達(dá)256MB，并支持SDRAM; %26;#183;內(nèi)置彩色LCD控制器; %26;#183;2路異步串口(UART); %26;#183;71個(gè)通用I/O口; %26;#183;8通路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC); %26;#183;實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和看門狗電路(WATCHDOG)。 2 C54X DSP及其HPI接口 2.1 C54X DSP的特點(diǎn) 以高速、低功耗為特征的C54X系列DSP采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的數(shù)據(jù)總線和程序總線，片內(nèi)集成了ROM、RAM和多個(gè)外設(shè)，如通用I/O口、定時(shí)器、時(shí)鐘發(fā)生器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、可編程塊切換邏輯、串行口、直接存儲(chǔ)器存取控制器(DMA)和與外部處理器通信用的主機(jī)接口(HPI)。 2.2 C54X的主機(jī)接口(HPI) C54X中的主機(jī)接口(HPI)主要有三種：標(biāo)準(zhǔn)8位HPI8接口、增強(qiáng)型8位HPI8接口和16位HPI16接口。其中C542～C549內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)型 HPI8;C5402、C5410內(nèi)含增強(qiáng)型HPI8;C5410以上為HPI16;C5409、C5416的HPI可以由用戶設(shè)置為增強(qiáng)型HPI8或 HPI16。增強(qiáng)型比標(biāo)準(zhǔn)型更優(yōu)越之處主要在于：增強(qiáng)型允許主機(jī)訪問(wèn)DSP內(nèi)部的所有片內(nèi)RAM，而標(biāo)準(zhǔn)只能訪問(wèn)RAM區(qū)中指定的2K字。 以TMS320C5416(簡(jiǎn)稱C5416)包含的增強(qiáng)型HPI8接口為例，它與外部主機(jī)或微處理器的連接具有單獨(dú)的8根數(shù)據(jù)線HD0～HD7和10根控制器。主機(jī)主動(dòng)通過(guò)HPI口訪問(wèn)DSP的內(nèi)部RAM以及其它資源。除了對(duì)主機(jī)發(fā)中斷(通過(guò)置HPIC寄存器的HINT位，可以使HINT線有效)或清除主機(jī)發(fā)來(lái)的中斷(通過(guò)清HPIC寄存器的DSPINT標(biāo)志)需要DSP干涉外，C5416幾乎不用進(jìn)行其他操作，片內(nèi)的DMA通道會(huì)自動(dòng)輔助完成RAM區(qū)與 HPI數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)由HCNTL0/1線來(lái)選擇HPI的某個(gè)控制寄存器，如表1所列。通過(guò)對(duì)這4個(gè)寄存器的訪問(wèn)，就可以在所設(shè)安全機(jī)制的允許范圍下讀/寫DSP的所有或部分片內(nèi)RAM。 表1 HCNTL0/1的選擇功能描述 HCNTL1 HCNTL0 說(shuō) 明 0 0 主機(jī)讀/寫HPI控制寄存器--HPIC。 0 1 主機(jī)以地址自動(dòng)增的模式讀/寫HPI數(shù)據(jù)鎖存器--HPID。若為讀操作，則HPI地址寄存器HPIA自動(dòng)讀后增1;若為寫操作，則HPIA自動(dòng)寫后增 1。 1 0 主機(jī)讀/寫HPI地址寄存器--HPIA，該地址指向C54X的片內(nèi)RAM。 1 1 主機(jī)讀/寫HPI數(shù)據(jù)鎖存器--HPID，HPIA不變。由于DSP最小的存儲(chǔ)單位是字(16bit)，因此對(duì)于HPI8，每個(gè)傳遞必須要有2個(gè)傳遞周期才能完成。HBIL信號(hào)用于區(qū)分傳遞的字節(jié)是當(dāng)前字的第一字節(jié)還是第二字節(jié)。通過(guò)設(shè)置HPIC寄存器的BOB位，可以決定第一字節(jié)是這個(gè)字的高字節(jié)還是低字節(jié)。 2.3 時(shí)序圖 C54X HPI8的時(shí)序如圖1所示，該時(shí)序可滿足市場(chǎng)上大多數(shù)微控制器的時(shí)序特片。因此，C54X可以通過(guò)HPI8很方便地與微控制器接口，S3C44B0X也不例外。 3 S3C44B0X與C54X DSP的接口設(shè)計(jì) 3.1 硬件連線 TMS320C5416與S3C44B0X連接的接口電路如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，C54X通過(guò)HPI8與主機(jī)設(shè)備相連時(shí)，除了8位HPI數(shù)據(jù)總線及控制信號(hào)線外，不需要附加其它的邏輯電路，非常方便。 從HPI寄存器的編址方式可以看出，主機(jī)只需兩根地址線(A3、A2)便可尋址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同時(shí)，將HPI8 接口安排在S3C44B0X的BANK2(即地址范圍0X04000000～0X05FFFFFF)，而且S3C44B0X具有內(nèi)部譯碼器，直接產(chǎn)生片選信號(hào)nGCS2。由于C54X HPI8是一個(gè)8位的并行端口，而C5416的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為16位，因而主機(jī)必須讀/寫兩個(gè)連續(xù)的8位字節(jié)，而且主機(jī)還應(yīng)該提供HBIL信號(hào)指示當(dāng)然傳輸?shù)氖堑谝蛔止?jié)還是第二字節(jié)。在S3C44B0X中，可以直接使用址線A1來(lái)完成此功能：當(dāng)向A1=0的地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，表示為第一字節(jié);向A1=1的地址寫入數(shù)據(jù)表示第二字節(jié)。 另外，還有幾個(gè)關(guān)鍵的控制信號(hào)線需要連接。一個(gè)就是HR/W信號(hào)，由于S3C44B0X沒(méi)有此信號(hào)，使用地址線A4來(lái)代替。當(dāng)A4=1時(shí)，代表讀操作，反之為寫操作。在HPI8的操作中，所有的地址線和控制線在HDS1/2的下降沿采樣，用S3C44B0X的讀/寫信號(hào)nOE和nWE來(lái)完成此功能。 由于S3C44B0X和C5416 HPI接口的控制邏輯不盡相同，需要使用其它的一些信號(hào)線來(lái)進(jìn)行模擬，此時(shí)要嚴(yán)格遵循HPI的讀寫時(shí)序(如圖1所示)。 3.2 軟件設(shè)計(jì) 由于主機(jī)接口(HPI)傳送8位數(shù)據(jù)字節(jié)，而HPIC寄存器(通常是S3C44B0X首先要尋址的寄存器)是一個(gè)16位寄存器，在S3C44B0X這一邊可以相同內(nèi)容的高字節(jié)與低字節(jié)來(lái)管理HPIC寄存器(盡管某些位的尋址受到一定的限制)，在C54X這一邊高位不用。

當(dāng)主機(jī)開始存取DSP的數(shù)據(jù)時(shí)，首先要執(zhí)行以下兩步操作： %26;#183;HPIC寄存器的BOB位置1(高字節(jié)與低字節(jié)必須相同)。BOB位為字節(jié)選擇位。BOB位置1，表示第一字節(jié)為低字節(jié)。BOB位影響數(shù)據(jù)和地址的傳送。只有主機(jī)可以修改這一位，C54X對(duì)它既不能讀也不能寫。 %26;#183;將起始地址寫入HPIA寄存器。 此后可正常存取DSP內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)了。 結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和HPI的操作步驟，便可以在S3C44B0X上編寫程序?qū)崿F(xiàn)C5416的數(shù)據(jù)通信。 程序主要分為兩個(gè)部分：一部分是地址及數(shù)據(jù)的定義;一部分是實(shí)現(xiàn)代碼。具體程序如下： #define HPI_BASE 0x4000000 /* HPIC reg */ #define HPIC_W_F *(UINT8*)(HPI_BASE+0x0) //000 0 0 #define HPIC_W_S *(UINR8 *)(HPI_BASE +0x2) //000 1 0 #define HPIC_R_F *(UINT8 *) (HPI_BASE + 0x10) //110 0 0 #define HPIC_R_S *(UNIT8 *)(HPI_BASE+0x12) //110 1 0 /*define HPID_W_A_F *(UINT8 *)(HPI_BASE +0x4) //001 0 0 #define HPID_W_A_S *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x6) //001 1 0 #define HPID_R_A_F *(UINT8 *) (HPI_BASE+0x14) //101 0 0 #define HPID_R_A_S *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x16) //101 1 0 /* HPIA reg */ #define HPIA_W_F *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x8) //010 0 0 #define HPIA_W_S *(UINT8 *)(HPI_BASE +0xA) //010 1 0 #define HPIA_R_F *(UINT8 *)(HPI_BASE +0x18) //110 0 0 #define HPIA_R_S *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x1A) //110 1 0 上述這些宏定義了HPI8接口寄存器的地址。對(duì)S3C44B0X來(lái)說(shuō)，HPI8占用其內(nèi)存的BANK2，即起始地址為0X04000000。又由于HPI8的HR/W和HBIL信號(hào)用S3C44B0X的地址線實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)同一個(gè)寄存器而言，其讀寫地址不同。 以下代碼從DSP讀出數(shù)據(jù)： UINT16 read_dsp(UINT16 addr) { INT16 i; INT8 j; set_hpia(addr); //設(shè)置起始地址 i=HPID_R_A_F; //讀出第一字節(jié) j=HPID_R_A_S; //讀出第二字節(jié) return (i<<8)|(j%26;amp;0xff); } 以下代碼向DSP寫入數(shù)據(jù)： void write_dsp(UINT16 addr,UINT16 dat) { set_hpia(addr-1); //設(shè)置起始地址 HPID_W_A_F=(UINT8)((dat>>8)%26;amp; 0xff); //寫入第一字節(jié) HPID_W_A_S=(UINT8)(dat %26;amp; 0xff); //寫入第二字節(jié) } 在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用S3C44B0X作為主控制器，用TMS320C5416進(jìn)行運(yùn)算，然后通過(guò)HPI接口進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。事實(shí)證明，用HPI接口在ARM和DSP間通信滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。