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TMS320C6x DSP的FLASH引導(dǎo)方法研究與實現(xiàn)
摘要：介紹了TMS320C6x DSP的幾種FLASH引導(dǎo)方法，比較了引導(dǎo)過程中基于軟件流水的數(shù)據(jù)搬移方法和QDMA方式的數(shù)據(jù)搬移方法，并介紹了如何利用在系統(tǒng)編程（ISP）對上電引導(dǎo)程序進行FLASH編程。通過對實際的TMS32C6711 DSP電路調(diào)試實驗，證明了以上方法簡單易行。
關(guān)鍵詞：FLASH存儲器 上電引導(dǎo) COFF文件格式 DSP
FLASH存儲器是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種非易失性存儲器，在掉電情況下仍能保證數(shù)據(jù)不丟失，并能夠在不離開電路板或據(jù)設(shè)備的情況下實施擦除和再編程操作。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、維護便利、存取速度快、對環(huán)境適應(yīng)能力強、抗振性能好等優(yōu)點十分適合于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，并且已成為目前流行的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的一個基本配置。
在許多DSP的應(yīng)用中，系統(tǒng)上電后需要將用戶程序從FLASH存儲器引導(dǎo)到高速數(shù)據(jù)存儲器中運行。這就需要給用JTAG接口調(diào)試通過的應(yīng)用程序添加啟動代碼，將生成的目標(biāo)文件進行格式轉(zhuǎn)換使其能在線燒寫，將轉(zhuǎn)換過的文件利用FLASH燒寫程序在線燒寫到FLASH中。
本文將介紹引導(dǎo)過程中數(shù)據(jù)搬移的幾種方法，包括QDMA方式的數(shù)據(jù)搬移方法、CPU直接數(shù)據(jù)搬移方法以及基于軟件流水的數(shù)據(jù)搬移方法。經(jīng)過比較測試，證明了QDMA方式和基于軟件流水的數(shù)據(jù)搬移方法具有優(yōu)越性。并且，根據(jù)COFF文件格式，編寫了比TI公司的HEX60更為直接的轉(zhuǎn)換工具，從而簡化了文件的轉(zhuǎn)換步驟。
圖1
1 應(yīng)用程序的FLASH ROM引導(dǎo)
當(dāng)DSP的應(yīng)用程序從FLASH ROM引導(dǎo)時，目標(biāo)板都有一個自動的引導(dǎo)程序。例如，對于TMS320C6x1x系列，目標(biāo)板的自動引導(dǎo)程序會在系統(tǒng)上電時將FLASH ROM的前1K空間的內(nèi)容復(fù)制以片內(nèi)內(nèi)存自0x00開始的地址空間，并從0x00地址處開始運行。因為需要搬到內(nèi)存中運行的應(yīng)用程序的向量表、初始化段等往往超過1K大小，為了能在系統(tǒng)上電時自動引導(dǎo)應(yīng)用程序運行，就需要在引導(dǎo)的1K代碼中包括自定義的引導(dǎo)代碼，以將額外需要的初始化代碼段和數(shù)據(jù)段復(fù)制到內(nèi)存中運行。
將FLASH ROM的數(shù)據(jù)復(fù)制到IRAM（內(nèi)部RAM）中，有兩種方式：一種是直接存儲器訪問（DMA），它是在沒有CPU參與的情況下完成映射存儲空間的數(shù)據(jù)搬移；另一種是利用CPU直接搬移數(shù)據(jù)。QDMA是快速的DMA，不需要CPU參與數(shù)據(jù)傳輸，只需根據(jù)要傳遞內(nèi)容的信息設(shè)置QDMA的相應(yīng)寄存器即可。用CPU直接搬移數(shù)據(jù)也有兩種方式：一種是是不用流水方式，另一種是采用軟件流水方式。
在C6000的匯編中，不同類型指令有不同數(shù)目的執(zhí)行節(jié)拍。執(zhí)行節(jié)拍在數(shù)量上等于該指令在執(zhí)行級所需要的時鐘周期。對于所用到的讀取指令ldw的存儲指令stw，分別完成從存儲到通用寄存器的數(shù)據(jù)搬移和從通用寄存器到存儲器的數(shù)據(jù)搬移。讀取指令ldw需要執(zhí)行的步驟為：計算地址、地址送內(nèi)存、訪問內(nèi)存、數(shù)據(jù)送CPU、數(shù)據(jù)寫寄存器，即執(zhí)行節(jié)拍數(shù)為5；而存儲指令stw，執(zhí)行節(jié)拍數(shù)為3，需要執(zhí)行的步驟為ldw的前三步。表1給出了軟件流水前后數(shù)據(jù)搬移間隔編排的比較表。
由表1可見，要將FLASH ROM中的一個數(shù)據(jù)搬移到IRAM中，需要從FLASH ROM中讀取該數(shù)據(jù)到通用寄存器（ldw），再從通用寄存器中將其讀到IRAM（指令stw）。在軟件流水優(yōu)化以前，需要至少8個指令周期。采用軟件流水優(yōu)化以后，根據(jù)指令的特點，第0到第4這5個指令周期可連續(xù)續(xù)5個數(shù)到通用寄存器，從第5到第9這5個指令周期再順序地將讀入通用寄存器的上述5個數(shù)讀出到IRAM。于是，在10個指令周期內(nèi)，可完成5個數(shù)據(jù)的搬移，從而使搬移周期下降到了兩個指令周期，提高了CPU的運行效率。
2 QDMA方式和CPU直接數(shù)據(jù)搬移方式的比較
由于前面已比較了CPU直接數(shù)據(jù)搬移的兩種方式，下面著重對QDMA方式和基于流水的CPU直接數(shù)據(jù)搬移方式進行比較測試。這次測試是在TMS320C6711 DSP上進行的，采用的FLASH型號為SST29LE010。首先根據(jù)待燒寫應(yīng)用程序的.map文件找出需搬移的初始化代碼段的大小，其中.text段為0x8c40 byte，.const段為0byte，.cinit段為0x24c byte，共需搬移0x23A3個32bit字。然后利用QDMA方式和CPU流水方式分別從FLASH中讀取0x23A3個32bit字到片內(nèi)內(nèi)存中。測量所用時間結(jié)果如表2所示。
表2 兩種數(shù)據(jù)搬移方式的比較
訪問速度設(shè)備
搬移方式
Read setup:150ns
Read strobe:630ns
Read hold:3ns
Read setup:0ns
Read strobe:120ns
Read hold:0ns
QDMA方式
14825
1479s
CPU流水線搬移
15573
2390s
搬移大小：SIZE=0小3A3 WORD
由測試結(jié)果可以看出，不需要CPU直接參與數(shù)據(jù)搬移的QDMA方式比CPU流水搬移更具優(yōu)越性，搬移速度快且設(shè)置簡單。但CPU的流水搬移利用了TMS320C6000系列DSP匯編的特點，深入分析了指令的軟件流水方式，很大程度地提高了CPU的利用率，拓寬了編程思路，也不失為一種好的選擇。
3 利用ISP對上電引導(dǎo)程序進行了FLASH編程
3.1 文件格式的轉(zhuǎn)換
完成了引導(dǎo)程序，包括.cmd文件中內(nèi)存段的設(shè)置及連接設(shè)置后，用TI的編程工具CCS（Code Composer Studio）編譯連接生成目標(biāo)文件（.out文件）。但該.out文件格式是COFF文件格式，F(xiàn)LASH不支持這種格式，所以不能直接寫入FLASH中，必須對該.out文件進行轉(zhuǎn)換，提取出其中的數(shù)據(jù)部分，形成數(shù)據(jù)文件。最后利用燒寫程序?qū)⒁艳D(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)文件燒寫到FLASH ROM中。(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)
有兩種方式可將COFF格式文件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件。一種是利用TI公司的HEX6x.exe工具，將生成的.out文件轉(zhuǎn)化成.hex輸出文件。由于該HEX6x.exe工具是提供給EPROM編程器的，用EPROM編程器可直接燒寫.hex文件。但對于FLASH ROM的在系統(tǒng)編程來說，生成的.hex文件不能直接使用，必須再編寫一段程序?qū)?hex的文件頭去掉，分離出數(shù)據(jù)文件，最后才能由FLASH的燒寫程序?qū)⒆罱K的數(shù)據(jù)文件燒寫到FLASH ROM中。也可以不用TI公司的工具，而根據(jù)COFF文件格式直接提取出數(shù)據(jù)。生成一個數(shù)據(jù)文件，然后將其燒寫到FLASH ROM中。
COFF文件采用的是向量組織方式，可以很靈活地安排代碼段和目標(biāo)系統(tǒng)存儲器。了解COFF文件的結(jié)構(gòu)，不僅可以清楚.cmd文件的編寫原理，而且可以認識初始化段和非初始化段的區(qū)別，同時還可以在轉(zhuǎn)換文件時減少轉(zhuǎn)換步驟。COFF文件的格式如表3所示。
要提取的數(shù)據(jù)部分即臺化段是表3的Row data部分，也就是可執(zhí)行代碼和初始化代碼部分。首先，根據(jù)文件頭的信息（文件頭描述了整個文件的全局信息）獲得文件中段的數(shù)量，然后根據(jù)段的頭（Section header）信息，判斷該段是否為初始化段的頭。因為非初始化段是在程序運行中才分配的，若為初始化段的頭，則取得初始化段的位置，將這些段按地址由低到高的順序復(fù)制到輸出文件，便得到了可燒寫的數(shù)據(jù)文件。其流程如圖1所示。
3.2 利用ISP技術(shù)燒寫FLASH
燒寫程序負責(zé)將前面所生成的數(shù)據(jù)文件寫入FLASH ROM中，利用ISP技術(shù)，就不需要其它編程設(shè)備和附加編程電源，直接通過燒寫程序燒寫就可以了。燒寫程序必須根據(jù)所用的FLASH的型號來編寫。以SST29LE010為例，其軟件數(shù)據(jù)保護和頁面寫、芯片擦除、芯片型號軟件檢測等都有不同的指令和時序，如表4所示，需要查閱該型號的芯片手冊，根據(jù)手冊完成燒寫程序。
表4 SST29LE010內(nèi)存指令表
總 線 周 期
命令序列 1 2 3 4 5 6 地址 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 軟件數(shù)據(jù)保護和頁面寫 5555 AA 2AAA 55 5555 A0 地址 數(shù)據(jù) 芯片擦除 5555 AA 2AAA 55 5555 80 5555 AA 2AAA 55 5555 10 芯片型號軟件檢測 5555 AA 2AAA 55 5555 90在前面的兩節(jié)點，結(jié)合TMS320C6x系列DSP的特點，介紹了幾種上電引導(dǎo)過程中的數(shù)據(jù)搬移方法，特別推薦和比較了基于軟件流水思想的CPU數(shù)據(jù)搬移方法及QDMA方式，還介紹了ISP技術(shù)對上電引導(dǎo)FLASH編程的基本步驟，及如何根據(jù)COFF文件格式將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件，供FLASH的燒寫程序燒寫。
從編寫引導(dǎo)程序到將引導(dǎo)程序轉(zhuǎn)換為可供燒寫的數(shù)據(jù)文件，再到最終的FLASH ROM燒寫，是比較繁瑣的過程。本文所介紹的方法為編寫引導(dǎo)程序拓寬了思路，并簡化了文件轉(zhuǎn)換的步驟。通過對實際的TMS320C6711 DSP電路調(diào)試實驗，證明了以上的方法是簡單易行的。
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