摘要
本文從總體上介紹HPI（Host Peripheral Interface）接口的工作模式，與上位主機(jī)的連接方式，主機(jī)訪問的操作流程；歸納了應(yīng)用當(dāng)中常見問題，并提供了分析解決辦法。
簡(jiǎn)介
HPI 接口是TI 為處理器之間直接互連通訊定義的一種異步接口，大多數(shù)TI DSP 芯片上都有HPI 接口。HPI 接口是從（Slave）端口，接在主機(jī)的擴(kuò)展內(nèi)存總線上，DSP 不能通過HPI 向主機(jī)（Host）的訪問，只能被主機(jī)讀寫。兩個(gè)DSP 的HPI 接口之間不能通訊。兩個(gè)DSP 之間互連，可以將一個(gè)DSP（從）的HPI 接到另一個(gè)DSP（主）的擴(kuò)展內(nèi)存接口（EMIF）上[1]。
1. HPI 工作模式
不同系列DSP 上的HPI 接口版本有所不同，區(qū)別體現(xiàn)在DSP 對(duì)HPI 的控制上，如C6727 上的UHPI 可通過寄存器使能與關(guān)閉HPI 接口，對(duì)主機(jī)訪問DSP 內(nèi)存空間的控制，以及對(duì)HPI 接口信號(hào)的功能復(fù)用上。但從主機(jī)訪問的角度，HPI 的工作模式分為：復(fù)用模式(Multiplexed-Mode)和非復(fù)用模式(Non-multiplexed-Mode)。
復(fù)用模式下沒有地址線，主機(jī)訪問DSP 的地址信息是以數(shù)據(jù)方式送到HPIA(HPI 地址寄存)。從硬件信號(hào)的角度，地址，數(shù)據(jù)信號(hào)是由同一組數(shù)據(jù)線傳遞，所以稱為復(fù)用模式。
非復(fù)用模式的數(shù)據(jù)線與地址線是分開的，與內(nèi)存接口連接相似。非復(fù)用模式不需要操作HPIA 寄存器，主機(jī)訪問的地址信息通過地址總線直接送給HPI。
所有的HPI 接口都支持復(fù)用模式，但不是所有芯片的HPI 接口都支持非復(fù)用模式(參考相應(yīng)的芯片手冊(cè)確定是否支持)。除了有無HPIA 的操作區(qū)別外，兩種模式的操作沒有區(qū)別。因?yàn)榉菑?fù)用模式的操作是復(fù)用模式操作的子集，為方便起見，本文以復(fù)用模式展開討論。
2. HPI 硬件信號(hào)連接
HPI 接口復(fù)用模式連線如圖1 所示，根據(jù)在應(yīng)用當(dāng)中的必要性分為：必要的，和可選的兩組信號(hào)?？蛇x的信號(hào)以虛線表示。
. 數(shù)據(jù)線HD[0:n]：在復(fù)用模式下，數(shù)據(jù)線的寬度一般為CPU 位寬的一半，一個(gè)HPI 訪問分為高低半字的兩次訪問，如C5000 是16-bit CPU，HPI 數(shù)據(jù)線為8 位，C6000 是32-bit CPU，其HPI 數(shù)據(jù)線為16 位。C64x 系列的HPI 支持32 位，在32 位模式下一個(gè)HPI 訪問不需要分為高低半字兩次訪問組成一個(gè)完整的訪問。
. HCNTL0/1，HWIL：HCNTL0/1 選擇要訪問的HPI 寄存器，HWIL 控制訪問寄存器的高低半字，必須先高后低。一個(gè)寄存器的高低半字的兩次訪問一定要連續(xù)完成，中間不能插入其它的HPI 操作。只有HPIC 可以只訪問半個(gè)字。
. HR/W：指示對(duì)HPI 寄存器進(jìn)行讀，還是寫操作。如果主機(jī)的讀，寫信號(hào)是分開的，可以利用其中一個(gè)信號(hào)，但要注意做上拉或下拉處理以控制其在三態(tài)時(shí)的電平。
. HCS，HDS1/２：這三個(gè)信號(hào)根據(jù)圖2 的邏輯產(chǎn)生內(nèi)部HSTROBE 信號(hào)，其邏輯關(guān)系是要求HDS1 和HDS2信號(hào)相反，HCS 低有效。HSTROB 下降沿的時(shí)間點(diǎn)反應(yīng)的是三個(gè)信號(hào)中最后跳變的信號(hào)。HPI 在HSTROB的下降沿采樣控制信號(hào)HR/W，HCNTL0/1，HWIL 以判斷主機(jī)要對(duì)哪個(gè)寄存器進(jìn)行讀，或者寫操作命令。
注意控制信號(hào)在HSTROBE 的下降沿之前需要最少5ns 的setup 穩(wěn)定時(shí)間，而HDS1/2 和HCS 到HSTROBE信號(hào)內(nèi)部門電路的延時(shí)是皮秒級(jí)的，所以控制信號(hào)的setup 時(shí)間需要外部時(shí)序保證。
圖2 HSTROBE 信號(hào)產(chǎn)生邏輯
. HRDY：HPI 的輸出信號(hào)，指示當(dāng)前操作狀態(tài)，用做硬件流量控制握手信號(hào)。
. HINT：通過HPI，主機(jī)與DSP 之間可以互發(fā)中斷。HINT 是HPI 送給主機(jī)的中斷信號(hào)，DSP 對(duì)HPIC[HINT]位寫1，HINT 信號(hào)線上送出高電平信號(hào)，主機(jī)可利用此信號(hào)做為中斷信號(hào)輸入。DSP 不能清除HPIC[HINT]狀態(tài)，主機(jī)在響應(yīng)中斷后，需要對(duì)HPIC[HINT]位寫1 清除狀態(tài)，DSP 才能再次對(duì)HPIC[HINT]置位發(fā)中斷。主機(jī)通過寫HPIC[DSPINT]置1 給DSP 產(chǎn)生中斷，DSP 在響應(yīng)中斷后，需要對(duì)HPIC[DSPINT]寫1 清除狀態(tài)，主機(jī)才能繼續(xù)操作HPIC[DSPINT]給DSP 發(fā)中斷。通過HPI 傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合互發(fā)中斷做為軟件層的握手信號(hào)，可有效提高通訊的效率與靈活性。
. ALE：存在于地址，數(shù)據(jù)線復(fù)用的主機(jī)上用來指示地址信號(hào)周期，這種總線復(fù)用的主機(jī)很少見，所以通常將ALE 固定上拉處理，只用HSTROBE 采樣控制信號(hào)。
. BE：Byte Enable 信號(hào)，這個(gè)信號(hào)只出現(xiàn)在32 位的C6000 DSP 上。因?yàn)閼?yīng)用當(dāng)中通常都是對(duì)整個(gè)32-bit 字進(jìn)行訪問，所以直接做上拉使能處理。
3. HPI 寄存器地址映射
HPI 口提供給主機(jī)端訪問的寄存器只有４個(gè)，通過HCNTL［1：0］選擇.
表1 HPI 寄存器訪問選擇
由于在復(fù)用模式下數(shù)據(jù)線通常只有寄存器寬度的一半，所以一個(gè)完整的數(shù)據(jù)訪問由高低半字兩次訪問組成，由HWIL 信號(hào)控制，HWIL 信號(hào)必須是先低后高。通常將HWIL 和HCNTL[1:0]接在主機(jī)的地址線上，將4 個(gè)寄存器映射為主機(jī)端的8 個(gè)內(nèi)存單元，下表中的地址線連接方法將8 半字寄存器映射到主機(jī)的8 個(gè)連續(xù)的內(nèi)存單元。這里的地址線是用來選擇HPI 的寄存器，與非復(fù)用模式下的地址線直接訪問DSP 的內(nèi)存空間是完全不同的作用。
表2 HPI 寄存器地址映射
4. HPI 寄存器功能說明
HPIC (HPI Control Register)
HPI 控制寄存器HPIC 的位圖如表3 所示，C6000 系列DSP 的HPI 寄存器是32 位的，也只有低16 位有效，與C5000 系列DSP 的HPIC 寄存器定義的功能保持一致。不同版本的HPI 接口的HPIC 位定義的主要不同之處在于軟件握手HRDY 位的有無，其它位名稱可能存在細(xì)小差異，但功能定義都是一樣的。
表3 HPI Control Register
主機(jī)在對(duì)HPI 進(jìn)行訪問前可以通過HPIC 配置字節(jié)序（HWOB）和地址寄存器模式（DUALHPIA）。默認(rèn)的配置為HWOB=0，即先訪問高半；DUALHPIA=0，即單地址寄存器模式，讀和寫操作使用同一個(gè)HPIA；通常都采用默認(rèn)的HPIC 寄存器配置。
HWOB 與硬件信號(hào)HWIL 是沒有聯(lián)系的，HWIL 信號(hào)必須保證先低后高分別訪問兩個(gè)半字單元。至于先訪問一個(gè)字當(dāng)中的高或低半字，是由HWOB 控制的。
HPIA (HPI Address Register)
物理上存在HPIAR，HPIAW 兩個(gè)地址寄存器。HPIAR 是讀操作地址寄存器；HPIAW 是寫操作地址寄存器。由HPIC 的DUALHPIA 位來決定是采用雙地址寄存器模式還是單地址寄存器模式。如果采用雙地址寄存器模式，在對(duì)HPIA 操作之前，通過設(shè)置HPIC 的HPISEL 位選擇下一個(gè)要訪問的HPIA。通常為了簡(jiǎn)化在讀寫操作轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)HPIC 的操作，選用單地址寄存器模式。
HPIA 的地址信息在不同系列DSP 上有所不同：
在C5000 上，數(shù)據(jù)空間，I/O 空間只能按16 位字尋址，程序空間按字節(jié)尋址。HPI 的DMA 訪問屬于I/O 空間，HPIA 的值代表16 位字地址。如主機(jī)端要訪問DSP 內(nèi)存字節(jié)地址0x100, 則要往HPIA 寫的地址值是0x80。在用HPI 啟動(dòng)時(shí)，要注意DSP 代碼是按字節(jié)地址鏈接的，即代碼段的地址是字節(jié)地址，主機(jī)端要將代碼段的地址信息除以2 再送到HPIA。
在C64 上，HPIA 的值代表字節(jié)地址，但是HPI 訪問的數(shù)據(jù)是32 位的，所以HPI 會(huì)忽略HPIA 地址值的低兩位。
在C64+的DSP 上，HPIA 代表32 位字地址，HPI 會(huì)將字地址左移兩位轉(zhuǎn)換成字節(jié)地址，主機(jī)若要訪問DSP 字節(jié)地址0x100，則要賦值HPIA 為0x40。
HPID (HPI Data Register)
主機(jī)通過HPI 對(duì)DSP 的內(nèi)存訪問是間接訪問，主機(jī)只能訪問HPID，HPID 與DSP 內(nèi)存之間是通過HPI 專屬的DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)的。如圖3 所示。
HPID 的訪問分為自增模式和非自增模式。在自增模式下，訪問HPID 后，HPIA 會(huì)自動(dòng)增加指向下一個(gè)字地址，在連續(xù)訪問時(shí)，自增模式因?yàn)闇p少了主機(jī)對(duì)HPIA 的操作，可以增加HPI 數(shù)據(jù)訪問的吞吐率。非自增模式下訪問HPID 后，HPIA 的值保持不變，主機(jī)需要更新HPIA 來訪問下一個(gè)地址。
在寫操作時(shí)，主機(jī)把數(shù)據(jù)寫到HPID，HPI 將第二個(gè)半字的數(shù)據(jù)通過HSTROBE 的上升沿鎖存到HPID 后，將HRDY 置為忙狀態(tài)，并啟動(dòng)HPI DMA 將HPID 的內(nèi)容搬到HPIA 所指向的內(nèi)存單元，然后清除HRDY 指示可以進(jìn)行下一次操作。
在讀操作時(shí)，在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿，HPI 采樣到HR/W為讀命令，則將HRDY 置為忙狀態(tài)，啟動(dòng)HPIDMA 將HPIA 指向的內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)搬到HPID，清除HRDY 忙狀態(tài)，主機(jī)端方可結(jié)束總線訪問周期，鎖存數(shù)據(jù)線上的有效數(shù)據(jù)。
5. HPI 操作流程
主機(jī)對(duì)HPI 的一次總線訪問周期為分三個(gè)階段：主機(jī)發(fā)起訪問，HPI 響應(yīng)，主機(jī)結(jié)束訪問周期。
A. 主機(jī)發(fā)起訪問：即對(duì)HPI 寄存器的讀，或者寫命令。主機(jī)送出的硬件信號(hào)為HSTROBE（由HCS, HDS1/2產(chǎn)生），HR/W，HCNTL0/1，HWIL，以及HD[0:n]。HPI 在HSTROBE 的下降沿采樣控制信號(hào)HR/W，HCNTL0/1，HWIL 判斷主機(jī)的操作命令。
B. HPI 響應(yīng)：HPI 在HSTROBE 的下降沿采樣控制信號(hào)，根據(jù)控制信號(hào)做出相應(yīng)的響應(yīng)。如果是寫（HR/W為低）命令，則在HSTROBE 的上升沿將數(shù)據(jù)線上的信號(hào)鎖存到HCNTL0/1 和HWIL 指向的寄存器。如果是讀命令（HR/W 為高），如果是讀HPIC，或者HPIA 寄存器，HPI 將寄存器的值直接送到數(shù)據(jù)總線上；如果讀HPID，HPI 先將HRDY 置為忙狀態(tài)，HPI DMA 將數(shù)據(jù)從HPIA 指向的內(nèi)存單元讀到HPID，再送到數(shù)據(jù)線上，并清除HRDY 忙狀態(tài)，在讀HPID 后半字時(shí)，數(shù)據(jù)從寄存器直接送到數(shù)據(jù)總線上，不會(huì)出現(xiàn)HRDY 信號(hào)忙狀態(tài)。
C. 主機(jī)結(jié)束訪問周期：對(duì)于寫操作，主機(jī)將數(shù)據(jù)送出后，只要滿足芯片手冊(cè)中HPI 對(duì)HCS 的最小寬度要求，即可結(jié)束訪問周期。對(duì)于讀HPID 操作，要等HRDY 信號(hào)由忙變?yōu)椴幻?，主機(jī)才能結(jié)束訪問周期。兩次連續(xù)的HPI 操作的間隔，在芯片手冊(cè)的HPI 時(shí)序參數(shù)表里有要求，最小間隔為兩個(gè)HPI 功能模塊時(shí)鐘周期。
6. HPI 常見故障案例分析
在HPI 應(yīng)用調(diào)試過程中，常遇到的問題分為：寫數(shù)據(jù)不成功，讀數(shù)據(jù)不正確，HRDY 常高。這些問題通常都是由于時(shí)序不正確造成的，下面結(jié)合實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的案例進(jìn)行分析。
1.1 寫數(shù)據(jù)不成功
案例的硬件連接如下：
首先關(guān)注核心信號(hào)HSTROBE 由DSP_CS，ARM_WR（HDS1），ARM_RD（HDS2）產(chǎn)生，從下面時(shí)序圖可以看出ARM_WR 的下降沿是最后產(chǎn)生的，所以寫操作時(shí)HSTROBE 的下降沿反應(yīng)的是ARM_WR 的下降沿。
寫HPIC 的時(shí)序截圖如下：
寫HPID 的時(shí)序截圖如下：
兩個(gè)時(shí)序圖顯示主機(jī)送出的數(shù)據(jù)111b 在HSTROBE（ARM_WR）的下降沿后，很快被改變成其它值000b。在寫HPID 的時(shí)序截圖中，第一個(gè)HSTROBE 的下降后，HPI 送出HRDY 信號(hào)，然后數(shù)據(jù)線被改變，首先判斷HPI 對(duì)主機(jī)的命令做出了響應(yīng)，通過HRDY 信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)機(jī)，說明HPI 判斷這是一個(gè)讀操作，可以判斷為HSTROBE 的下降沿采樣HR/W信號(hào)不正確。
從硬件連接來看，HSTROBE（HR/W）要采樣HR/W，HCNTL0/1 來判斷主機(jī)命令，HR/W的與HSTROBE 為同一信號(hào)源，且同為下降沿，HR/W與HSTROBE 的下降沿之間的setup 時(shí)間不夠，采樣HR/W的電平狀態(tài)出現(xiàn)誤判，認(rèn)為是高電平讀命令，HPI 對(duì)讀命令的響應(yīng)則是在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿之后送出HRDY 信號(hào)，并在HRDY 之后，HPI 送出數(shù)據(jù)到總線上。
對(duì)于該問題，需要對(duì)參與HSTROBE 邏輯譯碼的HR/W信號(hào)的下降沿做延時(shí)處理，可在邏輯電路如CPLD 或FPGA 里實(shí)現(xiàn)，以確保HSTROBE 的下降沿采樣到穩(wěn)定的HR/W電平。
1.2 讀數(shù)據(jù)不正確
通常表現(xiàn)為讀讀HPIC，HPIA 正常，但讀HPID 不正常，前半字為0，后半字正確，對(duì)同一個(gè)地址讀兩次，第二次的數(shù)據(jù)完全正確。
在案例中，用示波器觀察HCS 與HRDY 之間的時(shí)序關(guān)系，發(fā)現(xiàn)HCS 的上升沿在HRDY 的上升沿之前，即主機(jī)在HPI 數(shù)據(jù)有效之前結(jié)束了訪問周期。HRDY 的上升沿其實(shí)是因?yàn)镠CS 的結(jié)束而拉高的，并非數(shù)據(jù)真正有效。
用戶由于沒有在硬件上將HRDY 與主機(jī)PowerPC 的TA 信號(hào)互連，沒有硬件握手機(jī)制，于是從軟件配置上加大主機(jī)的總線訪問周期，即增加HCS 的寬度，故障現(xiàn)象沒有變化。
原因分析：讀HPID 與HPIC，HPIA 時(shí)序不同，讀HPID 操作需要HPI DMA 從HPIA 所指向的地址讀數(shù)據(jù)到HPID，會(huì)有時(shí)間上的延時(shí)。而讀HPIC 和HPIA 直接從寄存器讀數(shù)據(jù)，沒有延時(shí)，所以讀HPIC，HPIA 是正確的。在讀HPID 時(shí)，HPI 會(huì)在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿后將HRDY 置位，指示數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好的忙狀態(tài)，主機(jī)應(yīng)當(dāng)在總線上插入等待周期，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后HPI 清除HRDY，主機(jī)才可以結(jié)束總線周期，通過HCS 的上升沿將有效數(shù)據(jù)鎖存。
HSTROBE 的下降沿到數(shù)據(jù)有效之間的延時(shí)與芯片及HPI 接口的工作頻率相關(guān)，以C5502，C5501 為例，在芯片手冊(cè)中，這個(gè)延時(shí)參數(shù)H1 在SYSCLK1 與CPU 時(shí)鐘的分頻為4 時(shí)，最大延時(shí)為12*2H+20(ns)，H=SYSCLK1/2，在HPI 啟動(dòng)期間，PLL 沒有倍頻，處于旁通狀態(tài)，系統(tǒng)輸入時(shí)鐘就是CPU 的工作時(shí)鐘，SYSCLK1默認(rèn)分頻為CPU 時(shí)鐘的4 分頻，以輸入時(shí)鐘為25MHz 為例，最大延時(shí)為：
這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度通常超出了主機(jī)端總線周期的軟件配置范圍，所以通過軟件配置增加HCS 的寬度不一定能滿足HRDY 的最大延時(shí)要求。在有的DSP 芯片手冊(cè)上只提供了HRDY 的最小延時(shí)，最大延時(shí)與芯片的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，及系統(tǒng)配置相關(guān)而不確定，比如與系統(tǒng)中其它主模塊如EDMA 同時(shí)訪問DDR，那么延時(shí)與HPI 的優(yōu)先級(jí)，EDMA 的優(yōu)先級(jí)，EDMA 的burst 長(zhǎng)度，以及DDR 的命令排序等配置相關(guān)，這樣通過延長(zhǎng)主機(jī)的總線訪問周期，更加不可靠。
解決辦法：在硬件設(shè)計(jì)之初，一定要利用HRDY 硬件握手信號(hào)[2][3]。雖然有的芯片HPIC 寄存器提供了HRDY 軟件握手方式，只能做為彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)之初遺漏HRDY 硬件握手信號(hào)的權(quán)宜之計(jì)，軟件輪循HRDY 的辦法會(huì)帶來額外的開銷，降低HPI 總線的吞吐率，增加主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。而且有的芯片HPI 不支持HRDY 軟件查詢方法，只能通過硬件HRDY 保證數(shù)據(jù)的有效性。
1.3 HRDY 常高
有的系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中偶爾出現(xiàn)HRDY 常高，導(dǎo)致主機(jī)端總線訪問異常，需要重新上電才能恢復(fù)HPI 的正常操作。這種故障是由于HPI 狀態(tài)機(jī)出現(xiàn)異常。
從實(shí)際故障定位中總結(jié)出以下幾點(diǎn)原因：
A. HPI 的高低半字訪問的順序訪問被其它HPI 訪問打斷：在復(fù)用模式下，一個(gè)完整的HPI 訪問是由高低半字兩次訪問組成，需要嚴(yán)格保證，否則會(huì)破壞HPI 的狀態(tài)機(jī)，從而導(dǎo)致不可預(yù)期的后果。
B. 主機(jī)通過HPI 訪問了DSP 內(nèi)部的保留空間，或者破壞了DSP 的程序，數(shù)據(jù)空間，導(dǎo)致DSP 運(yùn)行異常，進(jìn)而導(dǎo)致HPI 狀態(tài)機(jī)異常。
C. 主機(jī)的HSTROBE 信號(hào)有毛刺，或者信號(hào)完整性不好，如下圖中HCS（些案例HSTROBE 是由HCS 控制）的上升沿的回勾，都會(huì)導(dǎo)致HPI 誤判斷為主機(jī)的新的訪問的開始，從而打亂了高低半字的訪問順序要求，導(dǎo)致HPI 狀態(tài)機(jī)的錯(cuò)亂。
7. 總結(jié)
HPI 是一種簡(jiǎn)單的異步接口，只要設(shè)計(jì)中滿足了時(shí)序要求，即可穩(wěn)定工作。在開發(fā)當(dāng)中遇到數(shù)據(jù)讀寫不正確，從HSTROBE 信號(hào)入手檢查與之相關(guān)的信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，便可以找出問題原因。另外，信號(hào)完整性是任何系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。
關(guān)于特定芯片上HPI 接口的特有功能本文沒有針對(duì)討論，如C6727 的字地址模式和字節(jié)地址模式可通過HPIC配置；C6727 在HPI 啟動(dòng)后ROM bootloader 將HPI 關(guān)閉，需要軟件重新使能才能使用等；以及不同芯片的HPI 啟動(dòng)模式下的跳轉(zhuǎn)方式不同，請(qǐng)參考相應(yīng)芯片的HPI 手冊(cè)及bootloader 應(yīng)用手冊(cè)。
參考文獻(xiàn)：
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