摘? 要: 以SAMSUNG公司的ARM SOC芯片S3C44B0X和TI公司的TMS320C5416 DSP為例，講述了ARM芯片與DSP的數(shù)據(jù)接口技術(shù)，并給出了硬件連接圖和軟件代碼。
關(guān)鍵詞: ARM S3C44B0X 主機接口(HPI)? TMS320C5416
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后PC時代，嵌入式產(chǎn)品逐漸占領(lǐng)市場。而這些嵌入式產(chǎn)品的核心——處理器決定了產(chǎn)品的設(shè)計和性能。高性能" title="高性能">高性能、低功耗" title="低功耗">低功耗、低成本是嵌入式處理器的主要特點。在32位嵌入式處理器市場中，ARM占有78.6%的份額。而TI則占有DSP市場的絕大部分份額。通常的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，由微控制器" title="微控制器">微控制器實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，由DSP來執(zhí)行計算密集型操作，然后通過一定的手段實現(xiàn)微控制器與DSP之間的通信和數(shù)據(jù)交換。因此，如何高效地設(shè)計控制器(ARM)與DSP之間的接口以滿足嵌入式系統(tǒng)的實時性要求，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中顯得尤為重要。
1 ARM CPU S3C44B0X的特點
ARM是一款32位的精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu)，以其高性能、低功耗、低成本占有市場。由于ARM公司采用IP授權(quán)的方式經(jīng)營，全球幾乎所有的大半導(dǎo)體公司都有基于ARM的SOC芯片。
S3C44B0X是SAMSUNG(三星)公司一款基于ARM7TDMI的SOC芯片。它一方面具有ARM處理器的所有優(yōu)點:低功耗、高性能;同時又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其特點如下:
·采用ARM7TDMI內(nèi)核，I/O" title="I/O">I/O電壓3.3V，內(nèi)核電壓2.5V;
·內(nèi)置鎖相環(huán)(PLL)，系統(tǒng)主頻最高達(dá)66MHz;
·4種工作模式，可以實現(xiàn)電源管理以降低系統(tǒng)功耗;
·8KB的系統(tǒng)高速緩存(CACHE)，極大地提高了系統(tǒng)運行速度;
·支持8個MEMORY BANK，最大外部存儲空間達(dá)256MB，并支持SDRAM;
·內(nèi)置彩色LCD控制器;
·2路異步串口(UART);
·71個通用I/O口;
·8通路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC);
·實時時鐘(RTC)和看門狗電路(WATCHDOG)。
2 C54X DSP及其HPI接口
2.1 C54X DSP的特點
以高速、低功耗為特征的C54X系列DSP采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的數(shù)據(jù)總線和程序總線，片內(nèi)集成了ROM、RAM和多個外設(shè)，如通用I/O口、定時器、時鐘發(fā)生器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、可編程塊切換邏輯、串行口、直接存儲器存取控制器(DMA)和與外部處理器通信用的主機接口(HPI)。
2.2 C54X的主機接口(HPI)
C54X中的主機接口(HPI)主要有三種:標(biāo)準(zhǔn)8位HPI8接口、增強型" title="增強型">增強型8位HPI8接口和16位HPI16接口。其中C542～C549內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)型HPI8;C5402、C5410內(nèi)含增強型HPI8;C5410以上為HPI16;C5409、C5416的HPI可以由用戶設(shè)置為增強型HPI8或HPI16。增強型比標(biāo)準(zhǔn)型更優(yōu)越之處主要在于:增強型允許主機訪問DSP內(nèi)部的所有片內(nèi)RAM，而標(biāo)準(zhǔn)型只能訪問RAM區(qū)中指定的2K字。
以TMS320C5416(簡稱C5416)包含的增強型HPI8接口為例，它與外部主機或微處理器的連接具有單獨的8根數(shù)據(jù)線HD0～HD7和10根控制線。主機主動通過HPI口訪問DSP的內(nèi)部RAM以及其它資源。除了對主機發(fā)中斷(通過置HPIC寄存器的HINT位，可以使HINT線有效)或清除主機發(fā)來的中斷(通過清HPIC寄存器的DSPINT標(biāo)志)需要DSP干涉外，C5416幾乎不用進(jìn)行其他操作，片內(nèi)的DMA通道會自動輔助完成RAM區(qū)與HPI數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)傳輸。主機由HCNTL0/1線來選擇HPI的某個控制寄存器，如表1所列。通過對這4個寄存器的訪問，就可以在所設(shè)安全機制的允許范圍下讀/寫DSP的所有或部分片內(nèi)RAM。
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由于DSP最小的存儲單位是字(16bit)，因此對于HPI8，每個傳遞必須要有2個傳遞周期才能完成。HBIL信號用于區(qū)分傳遞的字節(jié)是當(dāng)前字的第一字節(jié)還是第二字節(jié)。通過設(shè)置HPIC寄存器的BOB位，可以決定第一字節(jié)是這個字的高字節(jié)還是低字節(jié)。
2.3 時序圖
C54X HPI8的時序如圖1所示，該時序可滿足市場上大多數(shù)微控制器的時序特征。因此，C54X可以通過HPI8很方便地與微控制器接口，S3C44B0X也不例外。
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3 S3C44B0X與C54X DSP的接口設(shè)計
3.1 硬件連線
TMS320C5416與S3C44B0X連接的接口電路如圖2所示。由圖2可見，C54X通過HPI8與主機設(shè)備相連時，除了8位HPI數(shù)據(jù)總線及控制信號線外，不需要附加其它的邏輯電路，非常方便。
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從HPI寄存器的編址方式可以看出，主機只需兩根地址線(A3、A2)便可尋址到HPI端口的所有控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。同時，將HPI8接口安排在S3C44B0X的BANK2(即地址范圍0X04000000～0X05FFFFFF)，而且S3C44B0X具有內(nèi)部譯碼器，直接產(chǎn)生片選信號nGCS2。由于C54X HPI8是一個8位的并行端口，而C5416的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為16位，因而主機必須讀/寫兩個連續(xù)的8位字節(jié)，而且主機還應(yīng)該提供HBIL信號指示當(dāng)前傳輸?shù)氖堑谝蛔止?jié)還是第二字節(jié)。在S3C44B0X中，可以直接使用地址線A1來完成此功能:當(dāng)向A1=0的地址寫入數(shù)據(jù)時，表示為第一字節(jié);向A1=1的地址寫入數(shù)據(jù)表示第二字節(jié)。
另外，還有幾個關(guān)鍵的控制信號線需要連接。一個就是HR/W信號，由于S3C44B0X沒有此信號，使用地址線A4來代替。當(dāng)A4=1時，代表讀操作，反之為寫操作。在HPI8的操作中，所有的地址線和控制線在HDS1/2的下降沿采樣，用S3C44B0X的讀/寫信號nOE和nWE來完成此功能。
由于S3C44B0X和C5416 HPI接口的控制邏輯不盡相同，需要使用其它的一些信號線來進(jìn)行模擬，此時要嚴(yán)格遵循HPI的讀寫時序(如圖1所示)。
3.2 軟件設(shè)計
由于主機接口(HPI)傳送8位數(shù)據(jù)字節(jié)，而HPIC寄存器(通常是S3C44B0X首先要尋址的寄存器)是一個16位寄存器，在S3C44B0X這一邊可以相同內(nèi)容的高字節(jié)與低字節(jié)來管理HPIC寄存器(盡管某些位的尋址受到一定的限制)，在C54X這一邊高位不用。
當(dāng)主機開始存取DSP的數(shù)據(jù)時，首先要執(zhí)行以下兩步操作:
·HPIC寄存器的BOB位置1(高字節(jié)與低字節(jié)必須相同)。BOB位為字節(jié)選擇位。BOB位置1，表示第一字節(jié)為低字節(jié)。BOB位影響數(shù)據(jù)和地址的傳送。只有主機可以修改這一位，C54X對它既不能讀也不能寫。
·將起始地址寫入HPIA寄存器。
此后可正常存取DSP內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)了。
結(jié)合硬件設(shè)計和HPI的操作步驟，便可以在S3C44B0X上編寫程序?qū)崿F(xiàn)與C5416的數(shù)據(jù)通信。
程序主要分為兩個部分:一部分是地址及數(shù)據(jù)的定義;一部分是實現(xiàn)代碼。具體程序如下:
#define HPI_BASE ?????? 0x4000000
/* HPIC reg */
#define HPIC_W_F??????*(UINT8*)(HPI_BASE+0x0)
????????????????????????????????????????????????????????????? //000 0 0
#define HPIC_W_S??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x2)?
??????????????????????????? ?? //000 1 0
#define HPIC_R_F??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x10)?
??????????????? //110 0 0
#define HPIC_R_S??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x12)??
?????????????????????????????????????????? //110 1 0
/* HPIA automatically change */
#define HPID_W_A_F??? *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x4)
????????????????????????????????????????????? //001 0 0
#define HPID_W_A_S??? *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x6)??????????????????
???????????????????????????? //001 1 0
#define HPID_R_A_F??? *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x14)??????????????????????
???????????????????? //101 0 0
#define HPID_R_A_S??? *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x16)
???????????????????????????????????????????????? //101 1 0
/* HPIA reg */
#define HPIA_W_F??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x8)???????????????????
?????????????????????? //010 0 0
#define HPIA_W_S??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0xA)
?????????????????????????????????????????//010 1 0
#define HPIA_R_F??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x18)?
???????????????????????????????????//110 0 0
??? #define HPIA_R_S??????*(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x1A)????????????????????????????
???? ?????????? //110 1 0
上述這些宏定義了HPI8接口寄存器的地址。對S3C44B0X來說，HPI8占用其內(nèi)存的BANK2，即起始地址為0X04000000。又由于HPI8的HR/W和HBIL信號用S3C44B0X的地址線實現(xiàn)，因此對同一個寄存器而言，其讀寫地址不同。
以下代碼從DSP讀出數(shù)據(jù):
UINT16 read_dsp(UINT16 addr)
{
???? ?? INT16 i；
?????? INT8 j；
??????
???? ?? set_hpia(addr)；?????????? //設(shè)置起始地址
??????
?????? i = HPID_R_A_F；?????? //讀出第一字節(jié)
?????? j = HPID_R_A_S；?????? //讀出第二字節(jié)
??????
?????? return (i<<8)|(j&0xff)；
}
???? 以下代碼向DSP寫入數(shù)據(jù):
void write_dsp(UINT16 addr， UINT16 dat)
{
???? ?? set_hpia(addr-1)；??????????????????????? //設(shè)置起始地址
?????? HPID_W_A_F=(UINT8)((dat>>8) & 0xff)；???? //寫入第一字節(jié)
?????? HPID_W_A_S=(UINT8)(dat & 0xff)；?????? //寫入第二字節(jié)
}
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，用S3C44B0X作為主控制器，用TMS320C5416進(jìn)行運算，然后通過HPI接口進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。事實證明，用HPI接口在ARM和DSP間通信滿足嵌入式系統(tǒng)的實時性要求。
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參考文獻(xiàn)
1 李 剛. 數(shù)字信號微處理器的原理及其開發(fā)應(yīng)用. 天津: 天津大學(xué)出版社， 2000
2 TMS320C54X DSP REFERENCE SET VOL5.ENHANCED?PERIPHERALS TI
3 S3C44B0X USER MANUAL. SAMSUNG ELECTRONICS