基于DSP芯片的Flash程序自举引导的方法实现
作者：陈若珠，胡金平，李战明
随着数字信号处理技术的快速发展，dsp 被广泛应用于各种数字信号处理系统中。终开发的系统若要脱离仿真器运行， 必须将程序代码存储在非易失性存储器中。flash 是一种可在线进行电擦写而掉电后信息又不丢失的存储器， 它具有功耗低、容量大、擦写速度快等特点。如何将程序烧写进flash ， 并在上电时加载到dsp 内部的ram 中， 是flash 在dsp 系统应用中的两个基本问题。本文基于ti 公司的tms320vc5509a 和amd 公司的am29lv800开发系统， 详细阐述了在线烧写flash 并实现自举启动的方法。
1 硬件电路设计
图1 为tms320vc5509a 与am29lv800 的连接示意图，flash 扩展在ce1 空间， 起始地址为200000。由于tms320vc5509a 只有14 根地址线a0~a13， 又因为flash作为数据存储空间使用时的地址编码采用字寻址方式，则dsp 的a0 信号无效， 所以am29lv800 芯片的低13位地址线a0 ~a12 连接tms320vc5509a 的地址线a1 ~a13， 高6 位地址线a13 ~a18 由缓冲串口来扩展。
图1 tms320vc5509a 与am29lv800 的连接示意图
am29lv800 是低功耗flash ， 工作在2.7 v~3.6 v 电压下， 一般存储数据可以保存100 年以上， 可以重复编程次数高达10 万次。a18~a0 为外部地址管脚，dq0~dq15为16 条数据线，为片选控制管脚，为输出控制管脚，为写入控制管脚。
2 自启动过程分析及启动表结构
dsp 系统的bootloader 是指在系统上电时将一段存储在外部非易失性存储器中的程序搬移到dsp 片内或片外扩展的高速ram 中并执行的代码。bootloader 程序性地存储在dsp 以ff8000h 开始的rom 中，dsp系统在复位后pc=ff8000h ， 即从bootloader 程序首地址开始执行。
tms320vc5509 dsp 的bootloader 有多种加载方式［3］，如表1 所示， 设置dsp 的gpio0-gpio3 ，dsp 在复位时读取这4 个引脚上的状态以确定所使用的启动模式。本文使用16-bit emif 加载方式， 虽然连线复杂， 需要考虑并行非易失存储器flash 与emif 接口的匹配关系， 但是它的优点很多： 不需要外部时钟驱动， 非易失存储器种类多样， 容量较大， 除了存储表之外， 还可存储系统需要保存的关键数据， 以便在掉电时保存信息。
表1 tms320vc5509a 的加载方式
在这些加载模式下， 程序之前先要生成一张载入表， 即引导表。引导表的结构如图2 所示， 引导表携带的信息有代码段和数据段信息， 向dsp 程序的入口点地址、寄存器配置信息和可编程延时信息。
图2 引导表结构
读引导表可知以下信息： 程序入口地址是引导表加载结束后用户程序开始执行的地址， 也就是用户程序生成的map 文件中显示的入口地址； 需配置寄存器数表明后面有多少个需要配置的寄存器； 当延时标志为0xffff 时， 执行延时， 延时长度决定了在寄存器配置后延时多少个cpu 周期才进行下一个动作； 段字节数、段起始地址和数据表示用户程序中定义的各个段的内容；引导表以32 个0 为结束标志。
生成引导表的方法： 通过在dos 环境下使用hex55.exe 转换工具。在转换操作之前， 先把用户程序生成的。out 文件、包含转换选项的cmd 文件hex5509.cmd 和转换工具hex55.exe 放在同一个文件夹里， 在dos 方式下先将路径修改为文件所在的位置， 然后在此路径下运行命令hex55 hex5509.cmd ， 即可生成想要的。hex 文件。
在转换时， 提供引导表的相关配置信息的cmd 文件这里被命名为hex5509.cmd ， 文中用到的hex5509.cmd的内容为：
3 flash 烧写
flash 的读操作与传统eprom 读操作相同。由于芯片使用软件保护模式进行操作， 用户编程时， 只要向指定的地址写入指定的序列， 就可以启动flash 芯片内部的写状态机， 完成指定的操作。表2 为flash 的操作命令说明（ 对芯片的擦除和编程都是按照字进行的）， 表中所有的数据都是十六进制数。
flash 的正确操作顺序： 先复位， 再擦除， 编程。
按照表2 提供的操作命令时序来实现对am29lv800 的擦除和编程，pa 为编程地址，pd 为编程数据。flash 扩展在ce1 空间， 起始地址是200000， 所以操作时所有地址必须加上200000。例如烧写工程中擦除部分命令为：
表2 am29lv800b 的操作命令说明
芯片擦除需要占用6 个总线周期， 而芯片编程需要4 个总线周期， 依照表3 的数据， 在每个总线周期对相应地址写入命令字就可以了。用户一般都是对芯片进行写操作， 写操作只能使‘1’ 变‘0’ ， 而擦除只能使‘0’ 变为‘1’ 。图3 为擦除和编程命令波形图， 清楚地显示了擦除和编程操作过程。
图3 擦除和编程命令波形图
判断编程或擦除的结束是当把编程或擦除的命令字按照其时序写入flash 时， 在写编程命令时序或擦除命令时序的一个we 上升沿到来之后，am29lv800会自动运行一个嵌入在flash 内部的算法来判断编程或擦除操作是否结束。采用触发位校验的方法， 检测数据切换位dq6（toggle bit） 的状态， 连续读数据会使dq6 的值在‘0’ 和‘1’ 之间来回切换， 当编程或擦除结束时，dq6 就停止值的切换。因此， 可以通过连续两次读dq6 的值来判断编程或擦除是否结束， 当两次读得的值相同时， 说明编程或擦除结束， 否则没有。触发位检测算法流程图如图4 所示。
图4 触发位检测算法流程图
4 程序的烧写实现
本系统在ccs 仿真环境下对flash 进行在线编程。
先建立一个flash 的烧写工程， 并在工程中将要烧写进flash 的引导表文件通过ccs 的load data 功能直接加载进dsp 的内存， 根据加载的首地址和数据长度， 在仿真环境下烧写进flash 中。值得注意的是， 程序加载的内存空间不能与flash 的烧写程序重叠， 否则烧写失败。
烧写完成以后， 关掉电源， 拔掉仿真器电缆， 让仿真器和计算机脱开： 重新打开电源， 实验板上指示灯闪烁， 表明烧写进flash 程序正在运行， 自启动成功。
需要补充的是， 经过hex55.exe 文件转化后的hex 文件的引导表文件不能直接导入ccs 中，ccs 只支持将特别规定的dat 格式文件通过load data 导入内存， 所以在导入之前必须先将引导表转化成dat 格式文件， 这个工作可以由vc 编写一个简单的c 语言转化程序实现。
本文阐述了一种针对tms320vc5509a dsp 简单有效的flash 烧写方法， 并提出了程序自举引导的实现方法。可以有效地解决程序代码存储问题和dsp 脱机自举问题， 不仅提高了调试效率， 也增加了系统的灵活性。本文讨论的引导方法包括硬件设计及相关程序， 已经在笔者的实际开发语音项目中使用并成功运行。
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1 硬件电路设计
图1 为tms320vc5509a 与am29lv800 的连接示意图，flash 扩展在ce1 空间， 起始地址为200000。由于tms320vc5509a 只有14 根地址线a0~a13， 又因为flash作为数据存储空间使用时的地址编码采用字寻址方式，则dsp 的a0 信号无效， 所以am29lv800 芯片的低13位地址线a0 ~a12 连接tms320vc5509a 的地址线a1 ~a13， 高6 位地址线a13 ~a18 由缓冲串口来扩展。
图1 tms320vc5509a 与am29lv800 的连接示意图
am29lv800 是低功耗flash ， 工作在2.7 v~3.6 v 电压下， 一般存储数据可以保存100 年以上， 可以重复编程次数高达10 万次。a18~a0 为外部地址管脚，dq0~dq15为16 条数据线，为片选控制管脚，为输出控制管脚，为写入控制管脚。
2 自启动过程分析及启动表结构
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tms320vc5509 dsp 的bootloader 有多种加载方式［3］，如表1 所示， 设置dsp 的gpio0-gpio3 ，dsp 在复位时读取这4 个引脚上的状态以确定所使用的启动模式。本文使用16-bit emif 加载方式， 虽然连线复杂， 需要考虑并行非易失存储器flash 与emif 接口的匹配关系， 但是它的优点很多： 不需要外部时钟驱动， 非易失存储器种类多样， 容量较大， 除了存储表之外， 还可存储系统需要保存的关键数据， 以便在掉电时保存信息。
表1 tms320vc5509a 的加载方式
在这些加载模式下， 程序之前先要生成一张载入表， 即引导表。引导表的结构如图2 所示， 引导表携带的信息有代码段和数据段信息， 向dsp 程序的入口点地址、寄存器配置信息和可编程延时信息。
图2 引导表结构
读引导表可知以下信息： 程序入口地址是引导表加载结束后用户程序开始执行的地址， 也就是用户程序生成的map 文件中显示的入口地址； 需配置寄存器数表明后面有多少个需要配置的寄存器； 当延时标志为0xffff 时， 执行延时， 延时长度决定了在寄存器配置后延时多少个cpu 周期才进行下一个动作； 段字节数、段起始地址和数据表示用户程序中定义的各个段的内容；引导表以32 个0 为结束标志。
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图3 擦除和编程命令波形图
判断编程或擦除的结束是当把编程或擦除的命令字按照其时序写入flash 时， 在写编程命令时序或擦除命令时序的一个we 上升沿到来之后，am29lv800会自动运行一个嵌入在flash 内部的算法来判断编程或擦除操作是否结束。采用触发位校验的方法， 检测数据切换位dq6（toggle bit） 的状态， 连续读数据会使dq6 的值在‘0’ 和‘1’ 之间来回切换， 当编程或擦除结束时，dq6 就停止值的切换。因此， 可以通过连续两次读dq6 的值来判断编程或擦除是否结束， 当两次读得的值相同时， 说明编程或擦除结束， 否则没有。触发位检测算法流程图如图4 所示。
图4 触发位检测算法流程图
4 程序的烧写实现
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烧写完成以后， 关掉电源， 拔掉仿真器电缆， 让仿真器和计算机脱开： 重新打开电源， 实验板上指示灯闪烁， 表明烧写进flash 程序正在运行， 自启动成功。
需要补充的是， 经过hex55.exe 文件转化后的hex 文件的引导表文件不能直接导入ccs 中，ccs 只支持将特别规定的dat 格式文件通过load data 导入内存， 所以在导入之前必须先将引导表转化成dat 格式文件， 这个工作可以由vc 编写一个简单的c 语言转化程序实现。
本文阐述了一种针对tms320vc5509a dsp 简单有效的flash 烧写方法， 并提出了程序自举引导的实现方法。可以有效地解决程序代码存储问题和dsp 脱机自举问题， 不仅提高了调试效率， 也增加了系统的灵活性。本文讨论的引导方法包括硬件设计及相关程序， 已经在笔者的实际开发语音项目中使用并成功运行。
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