如何基于TMS320C6678設(shè)計(jì)多核DSP上電加載技術(shù)？

0 引言

在視頻檢測、醫(yī)療影像及紅外圖像快速跟瞄系統(tǒng)應(yīng)用中，越來越復(fù)雜的二維、三維甚至四維的圖像處理，需要并行化的處理系統(tǒng)，并能夠運(yùn)行復(fù)雜的算法。要實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的系統(tǒng)，高端FPGA+高性能DSP是目前普遍采用的方案，而單個(gè)DSP的性能已發(fā)展至極限，所以解決復(fù)雜的并行算法，多核DSP是現(xiàn)在發(fā)展的全新方向，其中多核DSP的根加載技術(shù)是其難點(diǎn)之一。

TI公司推出的DSP芯片TMS320C6678(C6678)具有8個(gè)內(nèi)核的高性能DSP，每個(gè)內(nèi)核工作頻率均達(dá)1 GHz。

其支持的Boot 模式有SPI、I2C、EMAC、SRIO 和并口Emif16 NOR-FLASH。其中Emif16 NOR-FLASH模式是不用上位機(jī)參與、比較簡單、獨(dú)立成系統(tǒng)的一種，大多獨(dú)立DSP系統(tǒng)采用該方式。

網(wǎng)上能搜索到關(guān)于C6472和C6678零星一些加載資料，都是借助于第三方轉(zhuǎn)換工具，太過于籠統(tǒng)。下面是針對(duì)C6678 的并口Emif16NOR-FLASH的上電加載作詳細(xì)的探討。

1 C6678 的上電加載過程

所謂上電加載(上電自舉)，即是當(dāng)DSP復(fù)位后，正常運(yùn)行用戶程序之前運(yùn)行的一段小程序，就像PC機(jī)的BIOS 一樣。多核加載同單核加載區(qū)別很大，不但要負(fù)責(zé)主核的加載而且還有其他核的加載與激活。C6678的Emif16 NOR-FLASH 可以直接執(zhí)行程序(XIP)(這與C641x系列DSP不同)，其上電加載過程示于圖1。

上電復(fù)位后，DSP 首先運(yùn)行固化在片上ROM位于地址0x20b00000的程序，稱為片上Loader，片上Loader根據(jù)DSP硬件管腳狀態(tài)，判斷用戶采用的Boot模式以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模式的二級(jí)加載程序。如圖1的 Emif16 NOR-FLASH模式中，運(yùn)行片上Loader后，PC指針直接指向NOR-FLASH首地址0×70000000并開始執(zhí)行FLASH上的二級(jí)Loader程序，二級(jí)Loader存儲(chǔ)在FLASH開始地址0×70000000~0×70000400的范圍內(nèi)。從0×70000400開始保存應(yīng)用程序的根表數(shù)據(jù)(即被燒燒寫到FLASH中的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù))。二級(jí)Loader的功能是將保存在 FLASH中的Core0~Core7的根表數(shù)據(jù)搬移到DSP相應(yīng)的地址段內(nèi)，搬移完后，二級(jí)Loader程序PC指針跳到Core0的主程序入口地址_c_int00處，開始執(zhí)行Core0的應(yīng)用程序。在Core0的應(yīng)用程序開始加有使其他核激活運(yùn)行的代碼(這也是有別于單核的特殊之處)，至此整個(gè)多核加載就此完成。事實(shí)上，如果你的應(yīng)用程序很小，且運(yùn)行速度要求不高，圖1中的2、3和4過程都可以不要，只要把應(yīng)用程序的原始代碼數(shù)據(jù)燒寫到FLASH從0×70000000開始的位置，上電正常運(yùn)行即可(這在C641x 上是不行的)，如此DSP 的許多高性能就體現(xiàn)不出來，且多核工程大多采用嵌入式sysbios工程，占用存儲(chǔ)器比較大，所以正常的Boot過程必須采用圖1所示的二級(jí)加載過程。

從圖1中看出，一個(gè)完整多核加載過程，開發(fā)者需要做的是二級(jí)加載器Loader的編寫、FLASH中映像文件的產(chǎn)生、FLASH燒寫器的編寫，主核對(duì)各輔助核的觸發(fā)代碼的編寫(被加載的應(yīng)用程序不在本范圍內(nèi))。

2 多核映像文件的組成與產(chǎn)生

映像文件就是用戶要燒寫到外部FLASH上的全部數(shù)據(jù)文件，它是由二級(jí)加載器Loader的代碼數(shù)據(jù)(在文件前部)和應(yīng)用程序的根表(Boot Table)數(shù)據(jù)(文件后部)的合成數(shù)據(jù)文件。單核和多核的二級(jí)Loader 都一樣，區(qū)別就是后部的根表數(shù)據(jù)。根表是應(yīng)用程序的所有代碼和數(shù)據(jù)以在片上占用的地址來分段存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包，包的第一個(gè)4 B 是main()函數(shù)的入口地址_C_int00，后面由若干數(shù)據(jù)段組成，每個(gè)段前4 B為該段數(shù)據(jù)的字節(jié)長度Byte_count_x(x 為段序號(hào))，接著4 B Address_x 為該段在片上的存儲(chǔ)地址，后面是Byte_count_x個(gè)字節(jié)的具體數(shù)據(jù)Data_x。所有數(shù)據(jù)段結(jié)束后是4個(gè)字節(jié)0作為根表的結(jié)束標(biāo)記。該根表格式如表1所示。每一個(gè)段的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)可能不是4的整數(shù)倍，根表中數(shù)據(jù)區(qū)就在后面添0按4 B的整數(shù)倍向上取整，故整個(gè)根表文件字節(jié)數(shù)必是4的整數(shù)倍。

根表數(shù)據(jù)產(chǎn)生很簡單，由應(yīng)用程序最終生成的Out文件，通過ccs自帶工具h(yuǎn)ex6x.exe選擇不同的參數(shù)而產(chǎn)生，產(chǎn)生的文件即是根表文件，可以選擇生成二進(jìn)制文件或文本文件，本研究采用二進(jìn)制。其產(chǎn)生命令為(app為應(yīng)用程序名，app.out為ccs產(chǎn)生的連接文件)：

hex6x-boot -b -e _c_int00-order L-memwidth=32 -romwidth=32-o app.bin app.out

app.bin為產(chǎn)生的二進(jìn)制根表文件，將二級(jí)Loader程序的二進(jìn)制代碼加到根表文件的頭部即是app應(yīng)用程序的映像文件。

多核的映像文件是由二級(jí)加載器Loader和多個(gè)核應(yīng)用的根表合并而成的文件。多個(gè)核對(duì)應(yīng)多個(gè)獨(dú)立的工程，并由CCS產(chǎn)生多個(gè)out文件，再由hex6x.exe產(chǎn)生各核的根表文件。后對(duì)Core0的根表文件先去掉末尾4 個(gè)0字節(jié)，再將各輔助核的根表文件的開始的入口地址_C_int00和末尾4個(gè)0字節(jié)去掉，加到Core0被去掉了末尾字節(jié)的根表文件后，然后再將每個(gè)核的_C_int00當(dāng)成一個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)段來保存到上面的合成文件的后面，而各_C_int00在片上的存放地址即為各核的專門固定地址Boot Magic Address，如Core1的Boot Magic Ad-dress為0x1187fffc，Core2為0x1287fffc，…，Core7為0x1787fffc。所有根表數(shù)據(jù)段構(gòu)成后，再將4個(gè)0字節(jié)作為結(jié)尾標(biāo)志加到文件的最后，這樣合并后的根表文件如表2所示。同樣，將二級(jí)Loader 的代碼數(shù)據(jù)加到該文件頭部即形成多核的映像文件。由hex6x 生成的單核根表文件到合成映像文件的產(chǎn)生，全是文件操作，可以用一般的C語言工具，甚至Matlab等工具都可以完成。

同表1相比，表2僅僅只是增加了所有輔助核數(shù)據(jù)段和各核的_C_int00特殊數(shù)據(jù)段而已，表頭和結(jié)束字節(jié)都相同，因此完全適用于二級(jí)Loader按統(tǒng)一Boot Table格式搬移數(shù)據(jù)。需特別注意，各輔助核的out文件通過hex6x.exe產(chǎn)生的根表數(shù)據(jù)段中，當(dāng)映射到L2(0×00800000~0x0087FFFF)的范圍時(shí)，與Core0的地址是相互覆蓋的，產(chǎn)生合成根表時(shí)必須加上各核的L2基地址0×10000000+n*0×1000000(n 為輔助核號(hào))，如Core1的地址0×00825000，映射為0×11825000，同樣地址Core2映射為0×12825000，Core7映射為0×17825000。[!--empirenews.page--]

3 二級(jí)Loader程序和FLASH燒寫程序

二級(jí)Loader是一段小代碼程序，其功能就是將FLASH的根表數(shù)據(jù)如圖1中從0×70000400開始按表2的格式保存的數(shù)據(jù)搬移到DSP的RAM中。該Loader比較簡單，一般是一小段匯編代碼，代碼如下：

需要注意的是，由于DDR 沒有初始化，所以二級(jí)Loader不能加載DDR數(shù)據(jù)，DDR只作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用，確實(shí)要加載到DDR中，只能將DDR數(shù)據(jù)存在FLASH一指定段中，待Core0運(yùn)行開始初始化DDR后，將該數(shù)據(jù)讀到RAM中。

對(duì)于FLASH的燒寫程序，主要任務(wù)就是把多核的合成文件燒寫到外部Emif16 NOR-FLASH存儲(chǔ)器中。

由于TI大部分的Emif并口加載都是開放式的，開發(fā)者完全可以根據(jù)自己的思路和格式來產(chǎn)生和燒寫映像文件，故燒寫器TI公司是不提供的。其實(shí)，一旦合成根表文件產(chǎn)生后，燒寫器也顯得容易了。燒寫器一般使用輸出legacy COFF格式的CCS工程即可。從圖1的加載過程看，要燒寫的映像文件內(nèi)容包括二級(jí)加載器Loader的代碼和表2 的根表文件兩部分。二級(jí)Loader可以放到燒寫器的開頭main()函數(shù)之前，也可以放到Core0的應(yīng)用程序同樣位置，本研究采用前者，將二級(jí)Loader代碼映射到燒寫工程中指定的存儲(chǔ)器.boot_load段。燒寫器的編程流程如圖2所示。

4 輔助核的觸發(fā)

多核的加載，如果圖1中僅僅只是進(jìn)入Core0的_C_int00地址運(yùn)行而其他核還未激活，加載仍然是失敗的。輔助核的觸發(fā)，必須兩個(gè)條件，一是將各核工程的入口地址_C_int00寫到各核的Boot Magic Address處;二是向各核的核間中斷觸發(fā)寄存器IPCx(1

一旦輔助核被觸發(fā)，在輔助核應(yīng)用程序中，須向各自核的Boot Magic Address 寫入數(shù)據(jù)0xbabeface替換各自的_C_int00。

5 結(jié)語

多核DSP 加載是一項(xiàng)比較復(fù)雜但又很重要的過程[7，9-10]，也是多核技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)之一，一個(gè)多核DSP開發(fā)人員，如果要成功走向應(yīng)用，上電加載這一關(guān)是必須要過的。各核的應(yīng)用工程可以是輸出elf格式sysbios工程，也可以不是sysbios 工程。上面的多核Emif16NOR-FLASH 加載方法，在自研的C6678圖像信號(hào)處理系統(tǒng)中已成功加載。

作者 劉章文,劉七華,謝川林,袁學(xué)文