軟件無線電的基本思想是通過構(gòu)造一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)并加載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，使用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)(如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等)，構(gòu)成具有高度靈活性的通信設(shè)備(如多模手機(jī)、多功能基站、多波形電臺(tái)等)[1]。

    典型的軟件無線電通信設(shè)備包含CPU、DSP和FPGA等波形處理單元。一般來說，CPU完成系統(tǒng)控制與波形的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能，而DSP和FPGA完成波形的物理層和部分協(xié)議功能。軟件無線電通信設(shè)備具有波形可動(dòng)態(tài)加載的特點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)提出了要求，要求CPU能夠?qū)SP和FPGA波形組件程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。
    BCNG-SDR-2012是自主研發(fā)的軟件無線電通信平臺(tái)，由一片Samsung公司的S3C2440 ARM920T CPU、一片TI公司的TMS320C6455 DSP和兩片Xilinx公司的高性能FPGA（VIRTEX-5和SPARTAN-6）以及可配置的寬頻段射頻模塊組成，具有強(qiáng)大的通信信號(hào)處理能力。本文利用TMS320C6455 HPI口，在上述平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了ARM對(duì)DSP的程序動(dòng)態(tài)加載功能，從而為軟件無線電的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支撐。
1 TMS320C6455 HPI啟動(dòng)流程
1.1 TMS320C6455 DSP簡介
    TMS320C6455是TI公司推出的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器[2]，最高主頻為1.2 GHz，在該主頻下最高性能可達(dá)9 600 MIPS（Million Instructions Per Second）。該芯片的外設(shè)包括用于處理器間通信的 Serial RapidIO總線、千兆以太網(wǎng)存儲(chǔ)接入控制器(MAC) 、66 MHz外設(shè)組件互連(PCI)總線接口、用戶可配置的16 bit或者32 bit的主機(jī)接口HPI等。C6455 DSP建立在增強(qiáng)型C64x+DSP內(nèi)核基礎(chǔ)之上，該內(nèi)核添加了專用的新指令，與基于TI的高級(jí)C64x DSP架構(gòu)的代碼相比，其代碼尺寸平均縮短了20%～30%，周期效率提高了20%。
    該芯片集成了大量的片上存儲(chǔ)器，這些存儲(chǔ)器被組織為一個(gè)兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。其中，第一級(jí)(L1)為2個(gè)32 KB存儲(chǔ)器，可配置為數(shù)據(jù)Cache和程序Cache；第二級(jí)(L2)為一塊2 MB的存儲(chǔ)器，可作為程序或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
1.2 TMS320C6455 DSP的HPI特性
    主機(jī)接口HPI（Host Port Interface）是一個(gè)并行端口，主要用于DSP與其他總線或CPU進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)高速、并行的數(shù)據(jù)通信。HPI使一個(gè)外部主機(jī)可以通過16 bit或者32 bit的并行接口直接訪問DSP的內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器。HPI有3個(gè)寄存器，分別為HPIC控制寄存器、HPIA地址寄存器、HPID數(shù)據(jù)寄存器，均為32 bit。如圖1顯示了HPI在主機(jī)與DSP數(shù)據(jù)交互中的位置[3]，通過HPI DMA邏輯以及資源交換控制邏輯，主機(jī)CPU可以訪問DSP的內(nèi)存、EMIF以及其他設(shè)備。

1.3 使用HPI的啟動(dòng)流程
    TMS320C6455復(fù)位和上電時(shí)的引導(dǎo)模式[4]主要有NO BOOT模式、HPI引導(dǎo)模式、Flash引導(dǎo)模式等。具體采用哪種引導(dǎo)模式是由復(fù)位或上電時(shí)管腳BOOTMODE[3：0]的狀態(tài)決定的[5]。本文使用的平臺(tái)中，BOOTMODE[3：0]管腳可通過撥碼開關(guān)來設(shè)置。
    如圖2顯示了使用HPI的啟動(dòng)流程。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先采樣管腳BOOTMODE[3：0]的狀態(tài)確定啟動(dòng)方式（即引導(dǎo)模式）。由于本文采用的是HPI引導(dǎo)模式，上電后DSP內(nèi)核處于掛起狀態(tài)；接下來外部主機(jī)通過HPI口直接將代碼和數(shù)據(jù)加載到DSP的內(nèi)存中，在這期間DSP內(nèi)核保持掛起狀態(tài)不變；當(dāng)主機(jī)完成程序加載后，主機(jī)向HPIC中的DSPINT位寫1，向DSP發(fā)出中斷；DSP收到中斷后，DSP內(nèi)核從掛起狀態(tài)喚醒，從L2的基地址（0x800000）處開始執(zhí)行程序。

2 硬件設(shè)計(jì)與寄存器讀寫驅(qū)動(dòng)
    在本文的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中，ARM與DSP HPI的接口連線如圖3所示。從ARM端看，由數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線和片選線組成，其中數(shù)據(jù)線通過162245總線隔離器進(jìn)行雙向傳輸。

    本文使用地址線作為HPI的控制信號(hào)，各信號(hào)對(duì)應(yīng)的地址線如圖3所示。表1顯示了信號(hào)線的組合對(duì)應(yīng)的訪問類型。
    需要特別注意的是，由于本文中的數(shù)據(jù)總線是16 bit的，使得ARM訪問的地址必須是偶數(shù)，因此不使用ADDR[0]，從而有了表1中的偶數(shù)偏移地址?？紤]到這一點(diǎn)，結(jié)合表1，下面以HPIC為例，給出其在ARM加載程序中的地址定義，其中_F和_S對(duì)應(yīng)HHWIL信號(hào)，指明是第1個(gè)半字還是第2個(gè)半字。
    unsigned long Write_HPIC_F_ADDR=CS3_BASE_ADDR+0x0;
    unsigned long Write_HPIC_S_ADDR=CS3_BASE_ADDR+0x2;
    unsigned long Read_HPIC_F_ADDR=CS3_BASE_ADDR+0x4;
    unsigned long Read_HPIC_S_ADDR=CS3_BASE_ADDR+0x6;
    根據(jù)上述定義，從ARM來看，對(duì)于每個(gè)寄存器都有4個(gè)地址，在數(shù)據(jù)訪問中必須選擇正確的地址來操作。上述定義中，CS3_BASE_ADDR對(duì)應(yīng)著DSP HPI的片選基地址，由于HPI 掛到了ARM的nGCS3片選上，根據(jù)S3C2440數(shù)據(jù)手冊(cè)[6]可知其為0x18000000。
    對(duì)HPIA和HPID的地址定義類似。定義了寄存器的地址后，再定義如下宏函數(shù)[7]來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)寄存器的讀寫操作：
    #define IOWrite(reg, data)   *(unsigned short *)(reg)=data
//寫寄存器宏定義
    #define IORead(reg)         *(unsigned short *)(reg)
//讀寄存器宏定義
3 HPI啟動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)流程
    主機(jī)通過HPIC、HPIA、HPID和16 bit數(shù)據(jù)線與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和中斷控制。HPI加載軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

    (1)初始化HPIC
    設(shè)置相應(yīng)比特位，在這里僅僅設(shè)置了HPIC的HWOB位，該比特位設(shè)置第一個(gè)半字是所傳32 bit數(shù)據(jù)的高16 bit（MSB16）還是低16 bit（LSB16）。在這里需要注意HHWIL信號(hào)線與HWOB位所起作用的不同，兩者的共同協(xié)作才能確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。操作如下：
      temp1=IORead(Read_HPIC_F_ADDR);
//讀HPIC的第1個(gè)半字
      temp2=IORead(Read_HPIC_S_ADDR);
//讀HPIC的第2個(gè)半字
      IOWrite(Write_HPIC_F_ADDR,temp1|0x1);
//設(shè)置HPIC中的HWOB位
      IOWrite(Write_HPIC_S_ADDR,temp2|0x1);
//設(shè)置HPIC中的HWOB位
      需要注意的是，HPIC的高16 bit和低16 bit內(nèi)容是相同的，所以寫入相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。
      (2)初始化HPIA
      將操作地址寫到HPIA中，由前所述，DSP要從L2的基地址（0x800000）處開始執(zhí)行程序。因此需要將程序加載到從L2的基地址開始的內(nèi)存中。對(duì)于TMS320C6455，L2的基地址為0x800000，芯片要求HPIA中寫入32 bit的字地址，因此要將字節(jié)地址轉(zhuǎn)為字地址，即0x200000，所以寫HPIA寄存器代碼如下：
    IOWrite(Write_HPIA_F_ADDR,0x0000);
    for(time_out=0;time_out<HRDY_TIMEOUT;time_out++);
    IOWrite(Write_HPIA_S_ADDR,0x20);
    for(time_out=0;time_out<HRDY_TIMEOUT;time_out++);
    根據(jù)TMS320C6455的芯片手冊(cè)，HPIA的2個(gè)半字的寫操作之間需要增加一定的延時(shí)。因此，上面的代碼中設(shè)定了延時(shí)。具體時(shí)間參考TMS320C6455的芯片手冊(cè)[2]。
    (3)向HPID中寫入數(shù)據(jù)
    存取HPID時(shí)，通過控制HCNTL[1：0]信號(hào)可選擇帶地址自增的讀寫操作或是不帶地址自增的讀寫操作。當(dāng)訪問連續(xù)的DSP存儲(chǔ)空間時(shí)，使用帶地址自增的讀寫操作只需要對(duì)HPIA寄存器賦值一次即可，能夠給數(shù)據(jù)存取操作帶來很大的方便。本文操作的是連續(xù)地址，因此使用帶地址自增的HPID，這樣僅需要進(jìn)行一次設(shè)置HPIA，之后便不用再對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。
    (4)向HPIC中的DSPINT位寫入1，向DSP發(fā)出中斷
    至此，加載數(shù)據(jù)全部寫入內(nèi)存。接下來通知DSP數(shù)據(jù)加載完畢，這需要通過設(shè)置HPIC中的DSPINT位來完成，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
    temp3=IORead(Read_HPIC_F_ADDR);
    temp4=IORead(Read_HPIC_S_ADDR);
    IOWrite(Write_HPIC_F_ADDR,temp3|0x2);
    IOWrite(Write_HPIC_S_ADDR,temp4|0x2);
    這樣當(dāng)主機(jī)向DSP發(fā)送了DSPINT中斷后，DSP會(huì)從L2基地址處開始執(zhí)行。但是對(duì)于DSP的C程序來說，是要從_c_int00處開始執(zhí)行，因此需要在L2基地址處增加跳轉(zhuǎn)指令，使得程序跳轉(zhuǎn)到_c_int00處，這樣程序便可以正確運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)DSP程序的動(dòng)態(tài)加載。
    需要注意的是，由于項(xiàng)目中電路板設(shè)計(jì)使用HPI16模式，因此對(duì)HPI任何一個(gè)寄存器的訪問，主機(jī)都需在HPI總線上進(jìn)行2次半字存取，否則可能會(huì)引起整個(gè)數(shù)據(jù)的丟失或是其他不可預(yù)料的錯(cuò)誤。
4 格式轉(zhuǎn)換
    使用DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS生成的文件一般為.out文件，該文件是通用目標(biāo)文件格式（COFF）的目標(biāo)文件，COFF文件中包含一些定位符號(hào)以及一些頭信息等，而本文加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是CPU能夠直接運(yùn)行的代碼，不能包含任何的其他冗余信息，因此不能直接將COFF文件加載到內(nèi)存中。本文使用TI公司提供的工具h(yuǎn)ex6x.exe和hex2aray.exe進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換，其中hex6x.exe將COFF文件轉(zhuǎn)換為hex文件，hex2aray.exe將hex文件轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)組，這樣，直接讀取數(shù)組中的數(shù)據(jù)并將其加載到內(nèi)存中即可。
    本文在介紹DSP主機(jī)接口并通過HPI接口啟動(dòng)流程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了在項(xiàng)目平臺(tái)上ARM通過DSP的HPI口動(dòng)態(tài)加載DSP的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)、啟動(dòng)跳轉(zhuǎn)以及格式轉(zhuǎn)換等問題。實(shí)際的測(cè)試表明，加載1 MB的內(nèi)存數(shù)據(jù)僅需要0.28 s，可見該加載方法加載速度快，靈活性好，很好地解決了軟件無線電設(shè)備對(duì)DSP波形組件可重構(gòu)的要求。
參考文獻(xiàn)
[1] MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communications Magazine，1995，15(5)：26-38.
[2] Texas Instruments.TMS320C6455 fixed-point digital signal  processor[EB/OL].[2012-10-10].http://www.ti.com.
[3] Texas Instruments.TMS320C645x DSP host port interface (HPI) user&prime;s guide[EB/OL].[2012-10-10].http://www.ti.com.
[4] 吳海洲，劉恒甫，黃克武.基于TMS320C6455的DSP加載模式研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(6)：155-162.
[5] Texas Instruments.TMS320C645x/C647x DSP bootloader user&prime;s guide[EB/OL].[2012-10-10].http://www.ti.com.
[6] Texas Instruments.S3C2440A 32-BIT CMOS Microcontroller user&prime;s manual[EB/OL].[2012-10-10].http://www.samsungsemi.com.
[7] Texas Instruments.TMS320C6000 programmer&prime;s guide[EB/OL].[2012-10-10].http://www.ti.com.