I2C總線實(shí)現(xiàn)TMS320VC5509A引導(dǎo)裝載設(shè)計(jì)

1 引言

    DSP芯片的Bootloader程序用于上電時(shí)將用戶程序從外部非易失性、慢速存儲(chǔ)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(yùn)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(dǎo)裝載、串行E2ROM引導(dǎo)裝載、并行引導(dǎo)裝載、串行口引導(dǎo)裝載、I2C總線E2ROM引導(dǎo)裝載等，通常使用的是并行引導(dǎo)裝載模式，該方式引導(dǎo)速度快實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是體積和功耗也較大，隨著串行接口存儲(chǔ)設(shè)備容量的提高，串行引導(dǎo)方式體積小、功耗低的優(yōu)勢(shì)便顯現(xiàn)出來(lái)了，所以使用ARM的串行接口對(duì)DSP進(jìn)行引導(dǎo)裝載，不僅能省去存儲(chǔ)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(hù)和升級(jí)。

    本文以TMS320VC5509A芯片引導(dǎo)裝載為例，詳細(xì)介紹了利用ARM通過(guò)I2C串行引導(dǎo)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的引導(dǎo)裝載，其他引導(dǎo)過(guò)程可參考相關(guān)技術(shù)資料[1]。

    TMS320VC5509A是TI公司一款16位定點(diǎn)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(jià)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(shí)，在片內(nèi)ROM中固化有引導(dǎo)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(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，C55x系列DSP其Bootloader程序位于片內(nèi)ROM空間的0xFF0000-0xFF8000處，進(jìn)入Bootloader程序后，程序先對(duì)DSP進(jìn)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(dǎo)裝載用戶程序時(shí)不會(huì)被中斷，從而引導(dǎo)程序加載失敗。

    由于DSP可以通過(guò)自舉表對(duì)寄存器進(jìn)行修改，需要注意在Bootloader程序運(yùn)行時(shí)，盡量不要修改Bootloader程序配置過(guò)的中斷控制寄存器，否則會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)料的后果。

2.1 I2C引導(dǎo)模式硬件連接

    為了通過(guò)I2C總線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP引導(dǎo)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(lái)選擇Bootloader引導(dǎo)模式，當(dāng)DSP復(fù)位后對(duì)這4個(gè)管腳電平采樣，根據(jù)不同的組合進(jìn)入到對(duì)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(duì)應(yīng)的Bootloader引導(dǎo)方式。SDL和SDA分別為I2C的時(shí)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(guò)I2C總線對(duì)DSP實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)裝載，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的I2C設(shè)備有如果幾點(diǎn)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(gè)字節(jié)尋址，即在接收到主機(jī)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(duì)設(shè)備讀取時(shí)，相關(guān)設(shè)備必須支持自動(dòng)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(dǎo)模式最多支持64kB的數(shù)據(jù)。

    在I2C引導(dǎo)模式運(yùn)行時(shí)，DSP作為主設(shè)備來(lái)控制I2C總線的時(shí)鐘，對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)，SCL必須滿足根據(jù)方程（1）所得到的速率，而I2C引導(dǎo)模式支持的最高時(shí)鐘速率為400kHz，所以如果想利用I2C引導(dǎo)模式，DSP上電時(shí)輸入時(shí)鐘就不能大于12MHz。

     SCL（高）=SCL（低）=15×（DSP輸入時(shí)鐘周期） （1）

2.2 I2C引導(dǎo)模式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

     為了能正確地將數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)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(chǔ)在E2ROM中，按照這些格式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)便是自舉表（Boot table），自舉表是Bootloader程序能正常運(yùn)行的保證，只有將數(shù)據(jù)按照自舉表的要求存儲(chǔ)，用戶程序才能被搬移到DSP內(nèi)部正常運(yùn)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(kāi)始運(yùn)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(guò)自舉表配置這些寄存器后，需要一定時(shí)間才能正常工作，否則會(huì)導(dǎo)致引導(dǎo)程序失敗。延遲計(jì)數(shù)器是讓Bootloader推遲相應(yīng)的CPU周期再進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，確保引導(dǎo)程序正常工作，由于DSP是采用分段格式來(lái)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(duì)應(yīng)格式來(lái)建立的分段存儲(chǔ)，這樣有利于程序維護(hù)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

    在自舉表的最后，是連續(xù)的4個(gè)字節(jié)的全零數(shù)據(jù)，其目的是為了告訴DSP程序引導(dǎo)完成，可以傳至程序入口執(zhí)行，同時(shí)DSP也發(fā)出指示給外部存儲(chǔ)設(shè)備告知引導(dǎo)結(jié)束，在I2C模式中，作為主機(jī)接收設(shè)備的DSP信號(hào)將會(huì)在接收到結(jié)束標(biāo)志后在數(shù)據(jù)總線上給出停止標(biāo)志，用來(lái)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(chǔ)器的數(shù)據(jù)格式[1]。首先，需要建立一個(gè)CMD（鏈接命令文件linker command file）文件，輸入需要的鏈接選項(xiàng)，HEX55利用該文件提供的各種選項(xiàng)來(lái)轉(zhuǎn)換文件，下面是一個(gè)為I2C引導(dǎo)方式建立的CMD文件和其選項(xiàng)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(xiàng)，表示采用何種Boot方式從而生成對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)格式，由于采用了I2C模式來(lái)引導(dǎo)，所以這些選項(xiàng)可以不使用，另外還可以使用-reg_config和-delay選項(xiàng)，分別來(lái)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(dǎo)程序。

3 ARM端設(shè)計(jì)

    上面介紹了利用I2C接口的E2ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)裝載的硬件連接和需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，實(shí)際利用ARM自身的I2C控制器，將自舉表存儲(chǔ)在ARM的FLASH中，并且讓ARM按照I2C引導(dǎo)模式中E2ROM的時(shí)序向DSP發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的引導(dǎo)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(dá)512k的高速FLash和32k的靜態(tài)RAM，其工作頻率可達(dá)60MHz，其I2C總線控制器支持I2C所有工作模式，這些在用于引導(dǎo)DSP時(shí)就不用使用端口來(lái)模擬I2C時(shí)序，使用十分方便，引導(dǎo)DSP時(shí)，只要ARM按照對(duì)應(yīng)的順序來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)DSP的程序引導(dǎo)，使用ARM引導(dǎo)時(shí)，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(shí)其時(shí)序如圖2所示。引導(dǎo)開(kāi)始后，DSP首先會(huì)使用隨機(jī)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(gè)虛假的寫指令和當(dāng)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(dāng)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(duì)應(yīng)的I2C狀態(tài)寄存器會(huì)以不同的代碼來(lái)表示當(dāng)前I2C總線狀態(tài)，用戶可以根據(jù)不同的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行下一步的操作[3]，整個(gè)引導(dǎo)過(guò)程就是ARM根據(jù)不同的總線狀態(tài)來(lái)發(fā)送或接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使用ARM引導(dǎo)DSP程序加載時(shí)，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(yùn)行狀況，程序中首先通過(guò)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(jìn)入到中斷服務(wù)程序中運(yùn)行，用戶程序根據(jù)I2C狀態(tài)寄存器（I2STAT）的值判斷當(dāng)前狀態(tài)從而進(jìn)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(biāo)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(hào)，Count1代表收到的寫命令次數(shù)，由于整個(gè)引導(dǎo)過(guò)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(cuò)，需要重新啟動(dòng)引導(dǎo)程序，利用ARM控制DSP的復(fù)位信號(hào)重新開(kāi)始引導(dǎo)過(guò)程，直至成功引導(dǎo)，0x80表示ARM進(jìn)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(jī)的設(shè)備地址，此次接收到了數(shù)據(jù)并返回ACK信號(hào)，I2DAT在從設(shè)備接收模式時(shí)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，發(fā)送模式時(shí)存儲(chǔ)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，引導(dǎo)開(kāi)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(dǎo)程序出錯(cuò)，需要復(fù)位DSP重新開(kāi)始接收。

    Count為連續(xù)兩次接收數(shù)據(jù)0的計(jì)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(chǔ)在Trans_addr中，0xA8代表接收到當(dāng)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(shí)將數(shù)據(jù)送出，0xC0表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，而且沒(méi)有收到ACK信號(hào)，意味著當(dāng)前地址讀取命令結(jié)束，此時(shí)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，整個(gè)引導(dǎo)過(guò)程一直到DSP收到自舉表結(jié)束標(biāo)志后停止，需要注意的是，I2C中斷標(biāo)志位需要通過(guò)軟件清除，每次中斷返回時(shí)都必須用I2C清零控制寄存器（I2CONCLR）手動(dòng)清除I2C控制寄存器中的中斷標(biāo)志。

    按照上述方法就完成了I2C引導(dǎo)裝載模式，用戶可以在程序中加入測(cè)試程序，通過(guò)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(dǎo)是否成功。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文提出的引導(dǎo)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(dāng)中，免去了對(duì)外部存儲(chǔ)器的編程，特別有利于設(shè)備的升級(jí)和維護(hù)。