劉 勇，張忠偉 ，董文濤，安軍社

(1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190)

DM642[1]是TI公司推出的一款高性能的數(shù)字多媒體處理器,屬于C64x系列DSP芯片,并保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有二級(jí)存儲(chǔ)器和高速緩沖器,以及超長指令字結(jié)構(gòu)。其運(yùn)算速度快、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于多媒體處理領(lǐng)域[2]。

DM642系統(tǒng)在脫機(jī)運(yùn)行時(shí),用戶代碼需要在加電后自動(dòng)加載運(yùn)行。這一過程通常由引導(dǎo)加載程序(bootloader）來完成的，bootloader自動(dòng)將一段存儲(chǔ)在外部非易失性存儲(chǔ)器中的代碼移植到高速存儲(chǔ)器單元中執(zhí)行。因此,開發(fā)可靠穩(wěn)定的bootloader成為嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文在深入研究分析DM642系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)上，摒棄傳統(tǒng)的匯編移植方案，用C語言實(shí)現(xiàn)了DM642的引導(dǎo)加載過程,同時(shí)該方案對(duì)于TI C6000系列DSP芯片具有通用性，可以在該系列不同器件中方便地移植。

1 DM642與Flash硬件連接

系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的SST39VF080 Flash芯片,其容量為 1 M×8 bit，8根數(shù)據(jù)線，20根地址線，與DM642的EMIF接口實(shí)現(xiàn)無縫連接[3]，兩者接線圖如圖1所示。DM642選擇EMIF啟動(dòng)時(shí)，從CE1空間起始處（地址0x90000000）加載數(shù)據(jù)，所以外部Flash必須接在EMIF接口的CE1空間。

圖1 DM642與Flash的硬件連接圖

2 DM642加載方式研究

2.1 DM642自啟動(dòng)方式

DM642有三種啟動(dòng)方式,分別是 Host boot、EMIF boot和No boot。系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)通過采樣引腳AEA[22∶21]的電平來設(shè)置，具體配置如表1所示。

DM642選擇Host boot啟動(dòng)方式時(shí)，系統(tǒng)上電復(fù)位后CPU將停止運(yùn)行，其他設(shè)備正常運(yùn)行。這期間，外部主機(jī)能夠通過Host接口初始化CPU的存儲(chǔ)器和內(nèi)部的配置寄存器，主機(jī)完成初始化工作后，通過設(shè)置HPIC寄存器的DSPINT位，CPU即從0地址開始運(yùn)行。選擇No boot啟動(dòng)方式時(shí)，CPU直接從0地址運(yùn)行程序。本文重點(diǎn)研究EMIF boot啟動(dòng)方式的加載過程。

表1 DM642啟動(dòng)方式配置

2.2 EMIF boot加載過程

DM642系統(tǒng)的CE1空間外接Flash固態(tài)存儲(chǔ)器，當(dāng)選擇從EMIF啟動(dòng)時(shí)，DM642芯片內(nèi)部已完成固化的加載程序(也稱一級(jí) bootloader)會(huì)自動(dòng)從 Flash空間(CE1空間，起始地址0x90000000)讀取1 KB數(shù)據(jù)到內(nèi)部RAM空間(起始地址 0x00000000)，然后跳轉(zhuǎn)到 0x00000000處執(zhí)行。這個(gè)過程由DM642處理器自動(dòng)完成,用戶無法干預(yù)。

如果用戶的應(yīng)用程序很小(＜1 KB)，則直接通過系統(tǒng)的一級(jí)bootloader加載即可；但是用戶的應(yīng)用程序通常＞1 KB，所以位于0x00000000地址的1 KB程序通常也是一個(gè)引導(dǎo)程序(又稱二級(jí)bootloader)，其作用是將應(yīng)用程序從Flash中讀出并放到內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到c_int00()執(zhí)行，這個(gè)過程也被稱為二次加載[4]。

3 二級(jí)bootloader程序設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

二級(jí)bootloader需要完成3部分功能：

(1)初始化EMIF口，配置其寄存器；

(2)把Flash中1 KB以后的各程序段和數(shù)據(jù)拷貝到指定的存儲(chǔ)物理地址中；

(3)跳到C程序入口點(diǎn) c_int00()運(yùn)行。

傳統(tǒng)的二級(jí)bootloader設(shè)計(jì)方案多通?；赥I公司提供的匯編例程移植實(shí)現(xiàn)[5]，該方案要求設(shè)計(jì)者熟練掌握TI C6000系列DSP匯編語言，開發(fā)難度大、周期長。

3.2 C語言實(shí)現(xiàn)

二級(jí)bootloader采用匯編語言編寫，是因?yàn)樵谝龑?dǎo)過程中還未建立C語言的運(yùn)行環(huán)境，包括系統(tǒng)堆棧定義、初始化堆棧、初始化全局和靜態(tài)變量等[6]。但是如果能夠避開系統(tǒng)堆棧操作，仍然可以使用C語言編寫二級(jí)bootloader程序。

這些與系統(tǒng)堆棧相關(guān)的操作主要有兩方面：(1)定義局部變量時(shí)使用register修飾類型，表明是定義在寄存器中，而不是堆棧中；(2)不需進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，包括C庫函數(shù)的調(diào)用。

把目標(biāo)工程燒寫到Flash中，數(shù)據(jù)在Flash中的分配如圖2所示。其中，前1 KB空間(圖中灰色部分)存放二級(jí)bootloader；地址0x90000400之后的Flash空間存放用戶應(yīng)用程序，從圖2可知應(yīng)用程序存儲(chǔ)是以_c_int00()開始，以0x00000000結(jié)束，中間是各代碼段和數(shù)據(jù)段。

基于上述Flash中數(shù)據(jù)分配，以下是對(duì)應(yīng)的二級(jí)bootloader部分C語言程序代碼∶

圖2 Flash中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配圖

程序中"#pragma CODE_SECTION(boot,".bootloader")語句的作用是將boot定位在.Bootloader段，然后在.cmd文件中將.bootloader段映射到片內(nèi)起始1 KB內(nèi)存區(qū)。此bootloader程序編譯后體積為352 B,不會(huì)超過1 KB的限制。另外該程序是基于小端字節(jié)序編寫，若系統(tǒng)為大端字節(jié)序，需要作少許修改。

使用C語言設(shè)計(jì)bootloader，極大提高了程序的可讀性和移植性，加快了用戶應(yīng)用程序的開發(fā)。但其效率低于傳統(tǒng)的匯編bootloader，所以從系統(tǒng)上電到加載完成運(yùn)行所需時(shí)間略長。

3.3 程序燒寫

在CCS中目標(biāo)工程生成的是COFF格式(.out文件)。而Flash燒寫工具一般只支持ASC II十六進(jìn)制格式，所以，必須先用16進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具將.out文件轉(zhuǎn)換成.hex文件[7]，再進(jìn)行燒寫。燒寫目標(biāo)程序的步驟為：

(1)編譯生成目標(biāo)工程的.out文件，在編譯之前需進(jìn)行如下操作：①把上述C語言編寫的bootloader程序添加到目標(biāo)工程中去；②修改目標(biāo)工程的.cmd文件，將bootloader這段代碼映射到片內(nèi)起始1 KB內(nèi)存區(qū)，目標(biāo)工程中的其他代碼放在后面。

(2)用16進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具h(yuǎn)ex6x.exe從.out文件產(chǎn)生.hex文件。

(3)用Flashburn軟件燒錄.hex文件。

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

系統(tǒng)采用自主研發(fā)的DM642硬件平臺(tái)，為了驗(yàn)證C語言bootloader程序的可行性與穩(wěn)定性，具體操作步驟如下：

(1)編寫測(cè)試應(yīng)用程序,其功能是通過串口循環(huán)向PC機(jī)發(fā)送預(yù)定的數(shù)據(jù);

(2)按照上述方法把程序燒寫到Flash中;

(3)斷電，設(shè) 置 AEA[22∶21]為 “11”，即 EMIF boot啟動(dòng)方式;

(4)系統(tǒng)與 PC串口連接、上電，查看PC機(jī)上的串口調(diào)試助手是否收到預(yù)定的數(shù)據(jù)。

驗(yàn)證時(shí)，若PC機(jī)上的串口調(diào)試助手收到的數(shù)據(jù)與DM642應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，則表明該方案可行。重復(fù)驗(yàn)證操作，每次都能收到預(yù)定的數(shù)據(jù)，則表明該方案穩(wěn)定。

本文的創(chuàng)新之處在于采用C語言實(shí)現(xiàn)了DM642的二級(jí)引導(dǎo)加載程序的設(shè)計(jì)，不再需要使用TI公司提供的匯編程序例程進(jìn)行移植，提高了程序的可讀性和移植性。在實(shí)際項(xiàng)目中已經(jīng)證實(shí)了該方案可行性和穩(wěn)定性，同時(shí)，該方案適用于TI C6000系列各種型號(hào)，可以在該系列不同器件中方便地移植,為基于DM642的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)提供了新的途徑。

[1]TI．SPRS200N TMS320DM642 video/imaging fixed-point digital signal processor[S]．2002．

[2]張志濤，梁光明．基于 DM642的 Flash分頁二級(jí)引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(22)：210-212．

[3]韓非，胡春海．TMS320C6000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[4]王躍宗，劉京會(huì)．TMS320DM642 DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M]．北京：人民郵電出版社，2009．

[5]劉志發(fā)，張東，楊艷，等．基于 DM642自啟動(dòng)的 Flash燒寫原理研究及實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(22)：8-11．

[6]李興友，游志勝．基于 DM642的大容量Flash引導(dǎo)加載方法研究與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25(8)：1939-1941．

[7]胡海龍,彭啟琮．TMS320C6713基于 DSP/BIOS的二級(jí)BootLoader開發(fā)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(15)：74-75．