TMS320C6201 DSP處理器與FLASH存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)
摘要： DSP與FLASH存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，本文以基于三個(gè)C6201／C6701 DSP芯片開發(fā)成功的嵌入式并行圖像處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)為例，介紹這一設(shè)計(jì)技術(shù)。
Abstract：
Key words :
DSP是針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器，由于它具有計(jì)算速度快、體積小、功耗低的突出優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。自世界上第一片通用D5P芯片TMS320C10于1982年在美國(guó)T1公司產(chǎn)生以來(lái)，DSP處理器便顯示出強(qiáng)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?cè)谕ㄐ?、自?dòng)控制、雷達(dá)、氣象、導(dǎo)航、機(jī)器人等許多嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后期美國(guó)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(jiǎn)稱C6000)是目前世界上最先進(jìn)的DSP處理器，其中C62XX和C64XX為通用32位定點(diǎn)系列DSP處理器，C67XX為通用32位浮點(diǎn)系列DSP處理器，其指令速度分別高達(dá)960～4800MIPS和600MFLOPS～1GFLOPS，可與早期的巨型計(jì)算機(jī)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(chǔ)器是新型的可電擦除的非易失性只讀存儲(chǔ)器，屬于EEPROM器件，與其它的ROM器件相比，其存儲(chǔ)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(diǎn)，使它迅速成為存儲(chǔ)程序代碼和重要數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器，成為嵌入式系統(tǒng)必不可少的重要器件。DSP與FLASH存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，本文以基于三個(gè)C6201／C6701 DSP芯片開發(fā)成功的嵌入式并行圖像處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)為例，介紹這一設(shè)計(jì)技術(shù)。
1 C6201／C6701新一代DSP處理器
1．1 C6201／C6701的特點(diǎn)及外部存儲(chǔ)器接口EMIF
C6201為通用32位定點(diǎn)DSP處理器，C6701為通用32位浮點(diǎn)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(diǎn)：
DSP核采用改進(jìn)的超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)和多流水線技術(shù)，具有8個(gè)可并行執(zhí)行的功能單元，其中6個(gè)為ALU，兩個(gè)為乘法器，并分成相同功能的兩組，在沒(méi)有指令相關(guān)情況下，最高可同時(shí)執(zhí)行8條并行指令； ·具有32個(gè)32位通用寄存器，并分成兩組，每組16個(gè)，大大加快了計(jì)算速度；
片上集成了大容量的高速程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)措，最高可以200Mbit／s的速度訪問(wèn)，并采用改進(jìn)的多總線多存儲(chǔ)體的哈佛結(jié)構(gòu)。程序存儲(chǔ)器為64K字節(jié)、256位寬．每個(gè)指令周期可讀取8個(gè)指令字，還可靈活設(shè)置為高速CACHE使用；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用雙存儲(chǔ)塊，每個(gè)存儲(chǔ)塊又采用多個(gè)存儲(chǔ)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(wèn)，每個(gè)時(shí)鐘可訪問(wèn)雙32位故據(jù)．C6701還可訪問(wèn)雙64位IEEE雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)； 片上集成了32位外部存儲(chǔ)器接口EMIF，并且分成4個(gè)時(shí)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(chǔ)器。同時(shí)，CEl空間還可直接支持8／16位寬的異步存儲(chǔ)器讀訪問(wèn)，EMIF接口信號(hào)如圖1所示；
片上集成了4個(gè)主DMA控制器和一個(gè)輔助DMA控制器：
片上集成了兩個(gè)32位多功能定時(shí)器；
片上集成了兩個(gè)多通道通用串行通訊口；
片上集成了16位宿主機(jī)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(shí)鐘的功能，從而在外部可采用較低的時(shí)鐘電路，而在片內(nèi)可高頻（120MHz、150MHz、167MHz、200MHz）地進(jìn)行計(jì)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(gè)復(fù)位中斷，一個(gè)非屏蔽中斷，4個(gè)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??；
具有豐富的適合數(shù)字運(yùn)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(diǎn)、高速的時(shí)鐘頻率使其具有高達(dá)1600MIPS和400MMAC的運(yùn)算能力，比通常使用的DSP計(jì)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(diǎn)，使它非常適合在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用；同時(shí)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(jiǎn)稱CCS)以及高性能的仿真器，大大簡(jiǎn)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(chǔ)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(dòng)從宿主機(jī)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(chǔ)器)，然后再?gòu)牧愕刂烽_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(shí)5個(gè)引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號(hào)電平?jīng)Q定，這些電平信號(hào)還決定地址映射方式是采用某種類型、速度的外部存儲(chǔ)器為零地址的MAPO方式，還是采用片上程序存儲(chǔ)器為零地址D6 MAPl方式。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)器時(shí)，程序直接從高速256位寬的片上程宇存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器執(zhí)行的工作方式，如表1所示。
2 FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)器，其管腳信號(hào)如圖2所示。／BYTE為×8或×16工作方式配置管腳(／BYTE接低時(shí)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(shí)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(gè)RY／*BY管腳可通過(guò)上拉電阻直接"線與"連接)。
MBM29LV800BA具有許多特點(diǎn)，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(gè)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(dòng)寫入和驗(yàn)證寫入地址的數(shù)據(jù)；
具有嵌入式擦除算法，可自動(dòng)預(yù)編程和擦除整個(gè)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(guò)軟件查尋方法檢測(cè)編程寫入／擦除操作的狀態(tài)；
具有RY／*BY管腳，可以通過(guò)硬件方法檢測(cè)編程寫入／擦除操作的狀態(tài)；
自動(dòng)休眠功能，當(dāng)?shù)刂繁３址€(wěn)定時(shí)，自動(dòng)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(jìn)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(jī)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(shí)，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(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)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(yàn)證寫入扇區(qū)是否為空，不空則運(yùn)行擦除算法；然后運(yùn)行編程寫入算法，寫編程寫入命令序列，再運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試算法或查詢RY／*BY管腳信號(hào)以確定該次操作完成。地址增1繼續(xù)上述過(guò)程，否則結(jié)束操作；數(shù)據(jù)測(cè)試算法主要是測(cè)試DQ7和DQ5位的數(shù)據(jù)變化，以確定泫次操作是進(jìn)行中、完成、還是失敗。
3 C6201／6701與FLASH的接口設(shè)計(jì)
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(chǔ)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(shí)，從復(fù)位信號(hào)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(chǔ)船中，然后在片上程序存儲(chǔ)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(diǎn)，具有最好的執(zhí)行性能。當(dāng)引導(dǎo)ROM器件采用FLASH存儲(chǔ)器MBM29LV800BA時(shí)，C6201／C6701與FLASH存儲(chǔ)器以8位方式連接的接口設(shè)計(jì)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(hào)可直接相連；EMIF接口的片選信號(hào)／CEl與字節(jié)使能信號(hào)／BE0"相與"后與FLASH的片選信號(hào)相連；FLASH的方式信號(hào)／BYTE接地；由于EMIF接口的ARDY信號(hào)為低時(shí)，DSP自動(dòng)插入等待時(shí)鐘周期，因此，F(xiàn)LASH的就緒或忙RY／*BY信號(hào)經(jīng)上拉電阻直接與ARDY信號(hào)相連，這種設(shè)計(jì)使FLASH的編程寫操作可不運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試算法，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)；C6201／C6701與FLASH以16位或32位方式相連咱6接口設(shè)計(jì)與8位方式類似。
4 引導(dǎo)程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)過(guò)程
C6000系列DSP的引導(dǎo)程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)不能一步完成，它需要一系列的實(shí)現(xiàn)步驟：首先，在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，可在C6000系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS中，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫應(yīng)用程序USAGE．C，通過(guò)編譯、連接查找、修正原程序中的錯(cuò)誤，生成COFF格式的可執(zhí)行文件USAGE．OUT；其次，當(dāng)硬件設(shè)計(jì)成功時(shí)，利用仿真器加載軟件程序USAGE．OUT到硬件系統(tǒng)中調(diào)試驗(yàn)證軟件程序，直至程序無(wú)錯(cuò)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(chǔ)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(méi)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(rèn)可的二進(jìn)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(jìn)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(guò)JTAG端口加載運(yùn)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(chǔ)器中。需注意的是程序?qū)懭隖LASH存儲(chǔ)器時(shí)，需要把CEl空間寄存器設(shè)計(jì)為32位寬度存儲(chǔ)器接口方式。
設(shè)置引導(dǎo)方式管腳BOOTMODE[4：0]的信號(hào)電平為01101。當(dāng)系統(tǒng)再次加電時(shí)，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(yùn)算速度，并且具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，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(chǔ)器具有容量大、體積小、功耗低、在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)，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(jì)技術(shù)已成功地在作者開發(fā)的基于三個(gè)C6201／6701處理器的嵌入式實(shí)時(shí)圖像匹配計(jì)算機(jī)中得到應(yīng)用。
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