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CPLD译码的DSP二次Bootloader方法简析
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2017-10-24
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随着数字信号处理技术的快速发展，数字信号处理器（DSP）越来越广泛地应用于各种实时嵌入式系统中。当系统调试完毕，想脱离仿真环境并在上电复位后自动启动程序代码运行时，必须将程序代码存储在非易失性存储器中。Flash存储器以其大容量和可在线编程等特点已成为DSP系统的一个基本配置。在系统上电复位后，DSP芯片内部固化的引导装载器（Bootloader）把应用程序从Flash引导到DSP芯片内高速 RAM中执行。这样既利用了外部存储器扩展DSP有限的ROM资源，又可以充分保证用户程序的全速运行［1-2］。
本文采用德州仪器公司的16位定点DSP芯片TMS320VC5509A（以下简称5509A），其PGE封装形式只有14根地址总线（A0～A13），最大只能寻址16KB的Flash存储器［3］。若要寻址更大地址空间，就需要控制Flash存储器的高位地址线。常见的解决方案是采用DSP的通用输入输出GPIO（General Purpose Input/Output）引脚来控制Flash的高位地址线，从而实现Flash存储器的分页访问［5-6］。然而，对于较大容量的Flash存储器，如本文采用的Am29LV800的容量为512K×16bit，有19根地址线［4］，如果采用上述方法，硬件连接虽然简单，但会占用较多的GPIO引脚，而且以后的系统扩展也不方便。本文介绍了一种基于CPLD快速译码的DSP二次引导方法，利用CPLD的时序严格、译码速度快、可在线编程等特点，在 DSP的外部存储器接口EMIF（Exteral Memory Interface）的CE2空间模拟了一个Flash换页寄存器FPR（Flash Page Register），在上电复位后控制Flash的高位地址线，从而实现Flash的分页访问。因此，可通过二次bootloader程序修改FPR的值，控制Flash的高位地址线，将最终的应用程序加载到RAM中运行。
1 TMS320VC5509A的并行引导模式
1.1 5509A的引导模式
5509A的引导模式选择是通过4个模式选择引脚BOOTM［3：0］来配置的，BOOTM3~0引脚分别与GPIO0、3、2、1相连。5509A提供了六种引导模式，即EHPI引导模式、8位/16位并行EMIF引导模式、8位/16位标准串行口引导模式、SPI EEPROM引导模式、USB引导模式以及I2C E2PROM引导模式。本文采用16位并行EMIF引导模式，将BOOTM［3：0］设置为1011即可。
在16位并行EMIF引导模式下，DSP芯片内部固化的Bootloader程序上电复位后，首先从CE1空间首地址0x200000h处开始读取程序代码，并加载到RAM中运行。
1.2 5509A的引导表格式
程序代码以引导表的格式存储在Flash存储器中。引导表是独立于所选引导模式的一种特定的格式，包含了用户程序的代码段、数据段、段在RAM中的目标地址以及程序入口地址等其他相关信息。5509A引导表结构如表1所示。
DSP芯片内部固化的Bootloader的主要功能是将Flash中存储的引导表按一定顺序加载到 RAM中，然后跳转到32位程序入口地址开始执行。引导表文件可以通过TI公司提供的16进制转换工具生成，一般是hex格式，然后将此hex文件烧写到 Flash存储器中供Bootloader加载。
2 DSP二次Bootloader的原理及实现
由上述分析可知，DSP用户程序的并行加载过程是由DSP内固化的Bootloader实现的。由于5509A的PGE封装只有14根地址线，最多只能访问到16K×16bit地址空间。对于超过16KB的用户代码，Bootloader将不能加载全部的引导表文件。因此若要加载超过16K的用户代码，必须进行二次Bootloader。
二次Bootloader的原理是由用户自行编写一个代码长度小于16KB的引导程序（以下简称 uboot），其功能与DSP内固化的Bootloader相同，用于加载最终的用户代码。在uboot程序中控制Flash存储器的高位地址线来访问 Flash的其他存储内容。这样，DSP上电复位后，Bootloader首先加载uboot并运行，然后uboot又加载最终用户代码，实现了大于 16K代码的二次引导。
2.1 DSP与Flash及CPLD的硬件接口
本文采用AMD的 Am29LV800作为DSP的外部存储器扩展。Am29LV800按8位方式访问，容量为1M字；按16位方式访问，容量为512K字。DSP外围威廉希尔官方网站 逻辑译码及Flash高位地址线模拟由CPLD实现。Xilinx公司的XC9572XL是一款高性能的CPLD芯片，最高主频可达178MHz，包含了 72个宏单元，1 600个可用门威廉希尔官方网站 ，其TQFP封装有72个可用I/O引脚［7］。图1是5509A与CPLD及Flash之间的硬件接口设计原理图。
如图1所示，5509A的地址线A［13：1］与Flash的地址线A［12：0］，A0未用。Flash存储器被映射到DSP的CE1空间，由片选线CE1经CPLD译码后选通。其中DSP的地址线A13和A［3：1］与CPLD接口，用于换页寄存器FPR的模拟。Flash存储器的BYTE引脚经上拉后接高电平，即按16位方式访问。
本文采用德州仪器公司的16位定点DSP芯片TMS320VC5509A（以下简称5509A），其PGE封装形式只有14根地址总线（A0～A13），最大只能寻址16KB的Flash存储器［3］。若要寻址更大地址空间，就需要控制Flash存储器的高位地址线。常见的解决方案是采用DSP的通用输入输出GPIO（General Purpose Input/Output）引脚来控制Flash的高位地址线，从而实现Flash存储器的分页访问［5-6］。然而，对于较大容量的Flash存储器，如本文采用的Am29LV800的容量为512K×16bit，有19根地址线［4］，如果采用上述方法，硬件连接虽然简单，但会占用较多的GPIO引脚，而且以后的系统扩展也不方便。本文介绍了一种基于CPLD快速译码的DSP二次引导方法，利用CPLD的时序严格、译码速度快、可在线编程等特点，在 DSP的外部存储器接口EMIF（Exteral Memory Interface）的CE2空间模拟了一个Flash换页寄存器FPR（Flash Page Register），在上电复位后控制Flash的高位地址线，从而实现Flash的分页访问。因此，可通过二次bootloader程序修改FPR的值，控制Flash的高位地址线，将最终的应用程序加载到RAM中运行。
1 TMS320VC5509A的并行引导模式
1.1 5509A的引导模式
5509A的引导模式选择是通过4个模式选择引脚BOOTM［3：0］来配置的，BOOTM3~0引脚分别与GPIO0、3、2、1相连。5509A提供了六种引导模式，即EHPI引导模式、8位/16位并行EMIF引导模式、8位/16位标准串行口引导模式、SPI EEPROM引导模式、USB引导模式以及I2C E2PROM引导模式。本文采用16位并行EMIF引导模式，将BOOTM［3：0］设置为1011即可。
在16位并行EMIF引导模式下，DSP芯片内部固化的Bootloader程序上电复位后，首先从CE1空间首地址0x200000h处开始读取程序代码，并加载到RAM中运行。
1.2 5509A的引导表格式
程序代码以引导表的格式存储在Flash存储器中。引导表是独立于所选引导模式的一种特定的格式，包含了用户程序的代码段、数据段、段在RAM中的目标地址以及程序入口地址等其他相关信息。5509A引导表结构如表1所示。
DSP芯片内部固化的Bootloader的主要功能是将Flash中存储的引导表按一定顺序加载到 RAM中，然后跳转到32位程序入口地址开始执行。引导表文件可以通过TI公司提供的16进制转换工具生成，一般是hex格式，然后将此hex文件烧写到 Flash存储器中供Bootloader加载。
2 DSP二次Bootloader的原理及实现
由上述分析可知，DSP用户程序的并行加载过程是由DSP内固化的Bootloader实现的。由于5509A的PGE封装只有14根地址线，最多只能访问到16K×16bit地址空间。对于超过16KB的用户代码，Bootloader将不能加载全部的引导表文件。因此若要加载超过16K的用户代码，必须进行二次Bootloader。
二次Bootloader的原理是由用户自行编写一个代码长度小于16KB的引导程序（以下简称 uboot），其功能与DSP内固化的Bootloader相同，用于加载最终的用户代码。在uboot程序中控制Flash存储器的高位地址线来访问 Flash的其他存储内容。这样，DSP上电复位后，Bootloader首先加载uboot并运行，然后uboot又加载最终用户代码，实现了大于 16K代码的二次引导。
2.1 DSP与Flash及CPLD的硬件接口
本文采用AMD的 Am29LV800作为DSP的外部存储器扩展。Am29LV800按8位方式访问，容量为1M字；按16位方式访问，容量为512K字。DSP外围威廉希尔官方网站 逻辑译码及Flash高位地址线模拟由CPLD实现。Xilinx公司的XC9572XL是一款高性能的CPLD芯片，最高主频可达178MHz，包含了 72个宏单元，1 600个可用门威廉希尔官方网站 ，其TQFP封装有72个可用I/O引脚［7］。图1是5509A与CPLD及Flash之间的硬件接口设计原理图。
如图1所示，5509A的地址线A［13：1］与Flash的地址线A［12：0］，A0未用。Flash存储器被映射到DSP的CE1空间，由片选线CE1经CPLD译码后选通。其中DSP的地址线A13和A［3：1］与CPLD接口，用于换页寄存器FPR的模拟。Flash存储器的BYTE引脚经上拉后接高电平，即按16位方式访问。
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