TMS320C6201 處理器與FLASH存儲器接口設(shè)計
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DSP是針對實時數(shù)字信號處理而設(shè)計的數(shù)字信號處理器，由于它具有計算速度快、體積小、功耗低的突出優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于嵌入式實時系統(tǒng)。自世界上第一片通用D5P芯片TMS320C10于1982年在美國T1公司產(chǎn)生以來，DSP處理器便顯示出強盛的生命力。短短二十多年，世界上許多公司便開發(fā)出各種規(guī)格的DSP處理器，并使它們在通信、自動控制、雷達、氣象、導(dǎo)航、機器人等許多嵌入式實時領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀90年代后期美國TI公司推出的面向通訊領(lǐng)域的新一代32位的TMS320C6000系列DSP芯片(簡稱C6000)是目前世界上最先進的DSP處理器，其中C62XX和C64XX為通用32位定點系列DSP處理器，C67XX為通用32位浮點系列DSP處理器，其指令速度分別高達960～4800MIPS和600MFLOPS～1GFLOPS，可與早期的巨型計算機速度相媲美，且單芯片功耗小于1．5W、采用BGA封裝(小型球柵陣列)、體積也很小(最大35mm×35mm×3．5mm)。因此，這些DSP處理器將在許多科技領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。FLASH存儲器是新型的可電擦除的非易失性只讀存儲器，屬于EEPROM器件，與其它的ROM器件相比，其存儲容量大、體積小、功耗低，特別是其具有在系統(tǒng)可編程擦寫而不需要編程器擦寫的特點，使它迅速成為存儲程序代碼和重要數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，成為嵌入式系統(tǒng)必不可少的重要器件。DSP與FLASH存儲器的接口設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一項重要技術(shù)，本文以基于三個C6201／C6701 DSP芯片開發(fā)成功的嵌入式并行圖像處理實時系統(tǒng)為例，介紹這一設(shè)計技術(shù)。
1 C6201／C6701新一代DSP處理器
1．1 C6201／C6701的特點及外部存儲器接口EMIF
C6201為通用32位定點DSP處理器，C6701為通用32位浮點DSP處理器，它們采用并行度很高的處理器結(jié)溝，從而具有許多突出的特點：
DSP核采用改進的超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)和多流水線技術(shù)，具有8個可并行執(zhí)行的功能單元，其中6個為ALU，兩個為乘法器，并分成相同功能的兩組，在沒有指令相關(guān)情況下，最高可同時執(zhí)行8條并行指令； ·具有32個32位通用寄存器，并分成兩組，每組16個，大大加快了計算速度；
片上集成了大容量的高速程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲措，最高可以200Mbit／s的速度訪問，并采用改進的多總線多存儲體的哈佛結(jié)構(gòu)。程序存儲器為64K字節(jié)、256位寬．每個指令周期可讀取8個指令字，還可靈活設(shè)置為高速CACHE使用；數(shù)據(jù)存儲器采用雙存儲塊，每個存儲塊又采用多個存儲體，可靈活支持8／16／32位數(shù)據(jù)讀寫。C6701還可支持64位訪問，每個時鐘可訪問雙32位故據(jù)．C6701還可訪問雙64位IEEE雙精度浮點數(shù)據(jù)； 片上集成了32位外部存儲器接口EMIF，并且分成4個時序可編程的空間(CE0、CEl、CE2、CE3)，可直接支持各種規(guī)格SDRAM(除CEl空間外)、SBSRAM、SRAM、ROM、FLASH、FIFO存儲器。同時，CEl空間還可直接支持8／16位寬的異步存儲器讀訪問，EMIF接口信號如圖1所示；
片上集成了4個主DMA控制器和一個輔助DMA控制器：
片上集成了兩個32位多功能定時器；
片上集成了兩個多通道通用串行通訊口；
片上集成了16位宿主機HPI端口，與EMIF端口一起?？芍С謽?gòu)成并行多處理器系統(tǒng)；
片上集成的鎖相循環(huán)PLL電路，具有4倍頻外部時鐘的功能，從而在外部可采用較低的時鐘電路，而在片內(nèi)可高頻（120MHz、150MHz、167MHz、200MHz）地進行計算；
片上集成了符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的JTAG在系統(tǒng)仿真接口，大大方便了硬件調(diào)試；
具有一個復(fù)位中斷，一個非屏蔽中斷，4個邊沿觸發(fā)的可編程的可屏蔽中斷；
雙電源供電，內(nèi)核電源為1．8V，外圍設(shè)備電源為3．3V，功耗低于1．5W；
采用352BGA小型球柵陣列封裝，體積很小；
具有豐富的適合數(shù)字運算處理的指令集，并且所有的指令為條件轉(zhuǎn)移指令。
C6201／C6701高度的并行結(jié)構(gòu)特點、高速的時鐘頻率使其具有高達1600MIPS和400MMAC的運算能力，比通常使用的DSP計算速度快十幾倍，甚至幾十倍，再加上其具有并行執(zhí)行、多功能、多任務(wù)的能力和豐富的指令集以及體積小、功耗低、易于使用的特點，使它非常適合在嵌入式實時系統(tǒng)中應(yīng)用；同時TI公司開發(fā)了高效的C編譯器和多功能的集成開發(fā)系統(tǒng)CODE COMPOSER STUDIO(簡稱CCS)以及高性能的仿真器，大大簡化程序代碼的編寫與調(diào)試。
1．2 C620I／06701的引導(dǎo)工作方式
在加電后，C6201／C6701可采用直接從零地址(只能為外部存儲器)開始執(zhí)行程序的不引導(dǎo)方式工作；也可采用輔助DMA先自動從宿主機HPI端口或外部CEl空間(8／16／32位ROM)加載64K字節(jié)程序至零地址(片上存站器或外部存儲器)，然后再從零地址開始執(zhí)行程序的引導(dǎo)方式工作。C6201／C6701的這些工作方式由上電復(fù)位時5個引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號電平?jīng)Q定，這些電平信號還決定地址映射方式是采用某種類型、速度的外部存儲器為零地址的MAPO方式，還是采用片上程序存儲器為零地址D6 MAPl方式。這種結(jié)構(gòu)特點大大增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。在引導(dǎo)工作方式中，當(dāng)零地址為片上程序存儲器時，程序直接從高速256位寬的片上程宇存儲器并行執(zhí)行，能充分發(fā)揮DSP的高速性能；而其它工作方式中，程序是從外部慢速32位寬的存儲器開始出行執(zhí)行。因此，基于C6000的嵌入式系統(tǒng)一般采用引導(dǎo)三片上程序存儲器執(zhí)行的工作方式，如表1所示。
2 FLASH存儲器MBM29LV800BA
2．1 MBM29LV800BA介紹
MBM29LV800BA是FUJITSU公司生產(chǎn)的1M×8／512K×l6位的FLASH存儲器，其管腳信號如圖2所示。／BYTE為×8或×16工作方式配置管腳(／BYTE接低時為×8方式，地址線為[A-1，A0，…A18]共20根，數(shù)據(jù)線為DQ[0：7]，數(shù)據(jù)線高8位不用；／BYTE接高時為×16方式，地址線為A[0：18]共19根，A-1，不用，數(shù)據(jù)線為DQ[0：15])；RY／*BY為表示FLASH就緒或忙的管腳(它是集電極開路引腳，多個RY／*BY管腳可通過上拉電阻直接"線與"連接)。
MBM29LV800BA具有許多特點，主要如下
單電源3．0V讀、編程寫入、擦除；
與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的命令集和引腳分布兼容；
增加了快速編程寫人命令，寫入僅需兩個總線周期；
具有至少100 000次的編程寫入／擦寫壽命；
靈活的扇區(qū)結(jié)構(gòu)支持整片內(nèi)容擦除、任一扇區(qū)內(nèi)容擦除、相連續(xù)的多扇區(qū)內(nèi)容并行擦除；
具有嵌入式編程寫入算法，可自動寫入和驗證寫入地址的數(shù)據(jù)；
具有嵌入式擦除算法，可自動預(yù)編程和擦除整個芯片或任一扇區(qū)的內(nèi)容；
具有數(shù)據(jù)查尋位和切換位，可以通過軟件查尋方法檢測編程寫入／擦除操作的狀態(tài)；
具有RY／*BY管腳，可以通過硬件方法檢測編程寫入／擦除操作的狀態(tài)；
自動休眠功能，當(dāng)?shù)刂繁３址€(wěn)定時，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；
具有低電壓禁止寫入功能；
具有擦除暫停／擦除恢復(fù)功能，
2．2 MBM29LV800BA的主要命令及嵌入式算法
MBM29LV800BA的編程寫入及擦除命令如表2所示。其中，X為十六進制數(shù)字的任意值，RA為被讀數(shù)據(jù)的FLASH地址，RD為從FLASH地址RA讀出的數(shù)據(jù)，PA為寫編程命令字的FLASH地址，PD為編程命令宇，SA為被擦除內(nèi)容的扇區(qū)地址。 MBM29LV800BA具有嵌入式編程寫入和擦除算法機構(gòu)，當(dāng)向FLASH寫入數(shù)據(jù)內(nèi)容或擦除其扇區(qū)內(nèi)容時，需要根據(jù)相應(yīng)的算法編程才能完成。其編程擦除算法流程為：首先寫編程擦除命令序列；然后運行數(shù)據(jù)測試算法以確定擦除操作完成；其編程寫入算法流程為：程序開始，首先驗證寫入扇區(qū)是否為空，不空則運行擦除算法；然后運行編程寫入算法，寫編程寫入命令序列，再運行數(shù)據(jù)測試算法或查詢RY／*BY管腳信號以確定該次操作完成。地址增1繼續(xù)上述過程，否則結(jié)束操作；數(shù)據(jù)測試算法主要是測試DQ7和DQ5位的數(shù)據(jù)變化，以確定泫次操作是進行中、完成、還是失敗。
3 C6201／6701與FLASH的接口設(shè)計
基于C6000系列DSP處理器的嵌入式系統(tǒng)往往采用地址映射方式為MAPl的ROM引導(dǎo)方式。這種方式是把開發(fā)成功的敝入式可執(zhí)行程序燒寫在CEl空間(從0~01400000地址開始的ROM存儲器)中，并根據(jù)引導(dǎo)方式設(shè)置相應(yīng)的引導(dǎo)模式管腳BOOTMODE[4：0]。這樣，當(dāng)嵌入式系統(tǒng)上電工作時，從復(fù)位信號的上升沿開始，輔助DMA把執(zhí)行程序從引導(dǎo)ROM中移至片上程序存儲船中，然后在片上程序存儲器開始執(zhí)行程序。這種方式呵充分發(fā)揮C6000系列DSP的并行結(jié)構(gòu)特點，具有最好的執(zhí)行性能。當(dāng)引導(dǎo)ROM器件采用FLASH存儲器MBM29LV800BA時，C6201／C6701與FLASH存儲器以8位方式連接的接口設(shè)計如圖3所示。FLASH的地址線[A-1，A0，…A18]與DSP的EMIF接口地址線[EA2，EA 3+…，EA21]直接相連；FLASH的低8位數(shù)據(jù)線DQ[0：7]與EMIF接口數(shù)據(jù)線[ED0，…，ED7]直接相連，高8位數(shù)據(jù)線DQ[8：15]不連接；讀寫使能信號可直接相連；EMIF接口的片選信號／CEl與字節(jié)使能信號／BE0"相與"后與FLASH的片選信號相連；FLASH的方式信號／BYTE接地；由于EMIF接口的ARDY信號為低時，DSP自動插入等待時鐘周期，因此，F(xiàn)LASH的就緒或忙RY／*BY信號經(jīng)上拉電阻直接與ARDY信號相連，這種設(shè)計使FLASH的編程寫操作可不運行數(shù)據(jù)測試算法，大大簡化了程序設(shè)計；C6201／C6701與FLASH以16位或32位方式相連咱6接口設(shè)計與8位方式類似。
4 引導(dǎo)程序開發(fā)實現(xiàn)過程
C6000系列DSP的引導(dǎo)程序開發(fā)實現(xiàn)不能一步完成，它需要一系列的實現(xiàn)步驟：首先，在硬件設(shè)計的同時，可在C6000系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS中，用C語言和匯編語言編寫應(yīng)用程序USAGE．C，通過編譯、連接查找、修正原程序中的錯誤，生成COFF格式的可執(zhí)行文件USAGE．OUT；其次，當(dāng)硬件設(shè)計成功時，利用仿真器加載軟件程序USAGE．OUT到硬件系統(tǒng)中調(diào)試驗證軟件程序，直至程序無錯誤；然后，編寫、加載鏈接指令文件Link．crud，重新編譯、鏈接軟件程序生成BOOT．OUT文件，再利用TI公司提供的HEX轉(zhuǎn)換工具包中的轉(zhuǎn)換程序和FLASH存儲器寬度，把該BOOT．OUT文件轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BOOT．HEX文件，由于轉(zhuǎn)換工具包中沒有提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序把BOOT．OUT文件直接轉(zhuǎn)換為FLASH認可的二進制文件，因此還需要編寫轉(zhuǎn)換程序把BOOT．HEX文件再轉(zhuǎn)換為BOOT．BIN二進制文件；最后，在CCS中編寫FLASH寫入程序，編譯、鏈接生成可執(zhí)行文件，并通過JTAG端口加載運行，把得到的引導(dǎo)程序BOOT．BIN作為數(shù)據(jù)文件寫入引導(dǎo)FLASH存儲器中。需注意的是程序?qū)懭隖LASH存儲器時，需要把CEl空間寄存器設(shè)計為32位寬度存儲器接口方式。
設(shè)置引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號電平為01101。當(dāng)系統(tǒng)再次加電時，即可直接執(zhí)行用戶開發(fā)的嵌入式應(yīng)用程序。
由于C6000系列DSP處理器具有驚人的運算速度，并且具有體積小、功耗低等特點，必將迅速得到廣泛的應(yīng)用，盡快掌握其開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，可使其發(fā)揮重大作用；FLASH存儲器具有容量大、體積小、功耗低、在系統(tǒng)可編程的特點，大大方便了DSP處理器的開發(fā)及應(yīng)用。C6000系列DSP與FLASH的接口設(shè)計技術(shù)已成功地在作者開發(fā)的基于三個C6201／6701處理器的嵌入式實時圖像匹配計算機中得到應(yīng)用。
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