基于USB2.0总线的TMS320VC5402 HPI自举实现

  引言

      当前，DSP（Digital Signal Processor）芯片已经广泛应用于通信、信号处理、雷达、图像处理等多个领域，其强大、高效的运算能力，是其他微处理器无法比拟的。为充分发挥DSP运算高效的优势，用户程序通常在DSP内部RAM中运行，这就需要利用DSP的自举引导（Boot       loader）功能。在DSP多机系统中，HPI自举是首选。目前，采用HPI自举的实例主要有两种，一种是用单片机作为主控制器，通过PC机串口或者外挂的存储器得到要下载的DSP用户程序数据，这种方案无法实现系统与PC机之间数据的实时高速传输；另一种是用PC机并口里控制DSP       HPI接口，从而把程序写入DSP 的内部RAM，该方案无法满足嵌入式系统的即插即用要求。
USB接口具有即插即用，速度快（最高可达480Mbps）等特点，可成为PC机的外围设备扩展中应用日益广泛的接口标准，基于USB总线对DSP实现HPI自举，可以降低成本，也便于DSP与PC机的高速数据通信，鉴于此种考虑，本文介绍一种利用USB2.0接口控制芯片（CY7C68013－56PVC）实现TMS320VC5402自举的实现方案。
芯片介绍
USB2.0芯片及其GPIF简介
本方案采用的USB2.0接口控制芯片是Cvpress公司的CY7C6801356PVC，该系列芯片是世界上第一款支持USB2.0的集成微控制器芯片，它集成有USB2.0收发器、智能串行接口引擎（SIE）、增强的8051微处理器，通用可编程接口（GPIF）、片上RAM和FIFO存储器[1]。该系列芯片的智能引擎也支持USB1.1协议，因此，它具有很好兼容性。
CY7C68013与外设有主/从两种接口方式：可编程接口GPIF和Slave FIFO，可编程接口GPIF是一个微状态机[2]，可由软件编写读写控制时序，也可以作为USB    FIFO的主控制器与DSP进行无缝连接，GPIF可工作在自动模式，USB总线和GPIF接口域直接进行数据传输，无需8051内核直接参入，以此解决USB2.0高速传输的“瓶颈”问题，GPIF与8051内核关系如图1所示。
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DSP芯片及其HPI简介
TMS320VC5402是ti公司的一款性价比极高的低功耗定点数字信号处理器（DSP），该芯片的主机接口（HPI，Host Port Interface）被称为HPI－8。这种HPI－8接口的最大特点是它允许主机访问DSP的整个片内空间。HPI接口通过HPI控制寄存器（HPIC）、地址寄存器（HPIA）数据寄存器（HPID）和HPI内存块来实现与主机的数据通信。主处理器对HPI的访问由内外两部分组成，其中外部主要为主处理与HPI寄存器交换数据，而内部则用于为HPI寄存器与DSP存储单元交换数据（由DMA自动完成）。在进行数据地实时通信时，DSP与主机可以通过中断信号进行握手。其具体实现可通过设置HPIC寄存器的HINT、DSPINT位来对对方进行中断[3]。
硬件设计
设计原理
自举从本质上说就是DSP上电后，在Bootloader引导下，获取应用程序并开始运行的过程，TMS320VC5402上电以后，当MP/MC为低电平时，系统将从片内ROM的OFF80H开始执行，此处的跳转指令使程序跳转至BootLoader程序入口处（OF800H处）。Bootloader程序先清除IFR，并设置HPI入口点（0x7F）的值为0，置HINT为低，再检测INT2是否置位(置位可以通过将HINT和INT2相连来实现），如置位则进行HIP自举[4]，具过程如图2所示。
                  DSP复位之后，如检测到HPI自举方式有效，就可以进行HPI自举引导，基于USB总线的HPI自举，就是在Bootloader引导下，通过USB接口控制芯片把程序数据由主机（PC）写入DSP内部RAM（DARAM）并使DSP开始运行的过程，该自举过程分为三个步骤：一是写HPIC，以设置HPI控制参数；二是写HPIA，设置访问DSP的首地址；三是通过HPID下载程序。
首先，推动EZ－USB Control Panel下载CY7C68013的固件程序。当重枚举结束，驱动程序（ezu***.sis）重新安装成功后,在Control    Panel中通过发送请求的方式由端点0向HPIC（主要设置BOB位，确定字节配合）发送两个相同的8位控制字，而当HPIC初始化完成之后，再通过端点0设置欲下载程序段到DSP中的首地址HPIA。HPIC、HPIA设置好之后，就可以通过端点2下载DSP程序代码段，程序代码段需要分段下载，实际上，CY7C68013通过端点2把数据写入HPID，然后，DSP按照HPIA指定的地址，由DMA自动将HPID中的数据写到RAM，接口控制时序可由GPIF软件编程控制，程序数据分段下载完毕之后，再将程序的入口地址通过端点0写入0x7F处，在主机下载程序的过程中，DSP将一直检测0x7F是否为0，如不为0，即判定DSP已由主机进行了HPI自举加载，并按照该值跳转PC指针，以开始运行，进而完成HPI自举。
硬件电路
本设计用CY7C68013－56PVC与TMS320VC5402的HPI口相连接，接口选择GPIF模式，硬件电路如图3所示，该方案中，HCNTL[1：0]与GPIF的低位地址线PA3、PA2相连，以选择需要访问的HPI的HPIA、HPIC，HPID寄存器，CTL0接至HR/W，可作为读写控制信号，HDS1与输出信号线CTL1相连，以作为HPI访问的选通信号，HBIL与输出信号线CTL2相连，已用于识别传输的是第一个字节还是第二个字节，HRDY接输入信号线RDY0。用于通过主机查询HPI口的状态，HINT、INT2与INT0连接，可确保HPI自举有效，HCS接GND，可使HPI片选信号有效，HPIENA接高电平时，HPI使能，HAS、HDS2接高电平时，信号线禁用。数据线PD[7：0]与HD[7：0]相连,可在控制时序作用下传输一切数据信号。HPI接口控制时序由CTL0、CTL1、CTL2引脚输出，在自举过程中，系统将关闭CY7C68013所有的中断，若要通过中断实现数据通信的握手，可以在自举完毕打开CY7C68013的中断。
                  CY7C68013的具体配置为：启用GPIF接口控制数据传输，GPIF接口采用内部时钟（48MHz）；端点2设置为批量传输输出端点，最大传输值是512字节，双缓冲；终端4、8禁用。端点6可作为批量传输输入端点来向主机传输数据，需要说明的是端点6不是自举所必需的。
软件设计
DSP应用程序设计
实现TMS320VC5402 HPI自举的前提是生成DSP应用程序的分段Hex代码文件，在CCS中可用汇编语言，C语言等编写应用程序源代码，经汇编、链接、编译后，生成可执行的公共目标文件格式（COFF）的文件，COFF文件不能用于HPI自举引导，而需要利用TI公司的文件格式转换工具hex00.exe，将COFF文件转换为Hex格式文件[5]。格式转换的关键是正确编写Hex命令文件，下面讨论如何编写这种命令文件，例如将包含text段的源程序链接、编译生成test.out文件，编写命令文件时，可利用hex500.exe将test.out转换为对应text段的Hex文件，命令文件test为.cmd如下：
－i 　　　　　//生成Intel格式

   test.out 　　//输入文件

   ROMS

   {

   PAGE 0：ROM1：org＝0x2000，Length＝0x2000，romwidth＝16，memwidth＝16，

   files＝{test1.hex} 　　//text段的起始地址为0x2000

   }　　　//如有多端就可增加多个ROM SECTIONS
{text：paddr＝0x2000}　//如有多端就可增加多个部分
在DOS环境下，利用hex500.exe转换命令文件test.cmd，就可得到test1.hex文件，通过CY7C68013把test1.hex文件写入DSP内部RAM，再把程序的入口地址写入0x7F处，便可完成自举。
USB固件程序设计
Cypress公司提供有USB的辅助开发工具：EZ－USB Control Panel，GPIF Designer。通过GPIF Designer可以生成GPIF波形图及相应的C源代码gpif.c。Cypress公司同时提供了固件程序框架，因而可把gpif.c加入固件程序框架进行开发，从而提高开发效率。本方案中，固件程序设计的重点是对GPIF的编程，以便生成符合HPI接口的时序的波形描述代码，以用于控制数据传输，HPI自举需要的GPIF控制波形描述符为：单字节写（两种），FIFO写。HPIA、HPIC的初始化需要单字节写控制时序，程序代码写入HPID需要FIFO写控制时序，若要实现二者的数据通信，还需要单字节读、FIFO读等控制波形描述符。
HPIC、HPIA的初始值是在EZUSB Control Panel中通过制造商请求工具栏由EP0发送的，固件程序中还要有相应的请求处理程序，以完成具体的设置，如假定HPIC请求类型的ID为0xB6.HPIC＝0x0101（BOB位为1），则请求工具栏的具体参数应为：Req＝0xB6，Value＝0x0000，Index＝0xBEEF，Length＝2，Dir＝0，Hex    Bytes＝0101，固件中应加入的请求处理程序为：
case 0xB6：

   {EPOBCL＝0；　　　　　　　　　//EP0使能
   while（EP01STAT＆bmEP0BSY）； //等待EPO数据接收完毕

      while（！HPI_RDY）；　　　　　 //等待HPI处理完毕

      IOA＝0x00；　　　　　　　　　　 //选择HPIC寄存器

      GPIFWFSELECT＝0x1E；    　　　　　//选择写低字节的单字节写控制波形

   while（！（GPIFTRIG＆0x80））

   {；}

   XGPIFSGLDATLX＝EP0BUF[0]；　　 //写低字节数据

   GPIFWFSELECT＝0x4E；　　　　　//选择写高字节的单字节写控制波形

   while（！（GPIFTRIG＆0x80））

   {；}

   XGPIFSGLDATALX＝EP0BUF[1]；　　//写高字节数据

   break；}
      设置程序下载的首地址（HPIA值）的请求处理程序与设置HPIC的程序基本相同，只需按照请求类型的ID，来改变访问寄存器的地址即可，访问HPIA时，HCNTL[1：0]＝10b，即IOA＝0x08。
访问HPID下载程序数据时，可采用大端点EP2自动打包方式（AUTOIN＝1），即将数据发送到端点后，自动传到FIFO中,等待写HPID条件具备，再启动GPIF，以将程序数据写入HPID，访问HPDI可采用地址自动增加模式（HCNTL[1：0]＝01b），写数据前，地址自动加1，这样，数据便可以经过DSP内部DMA自动写入内部RAM，写HPID的程序如下：
if（GPIFTRIG＆0x80）　//GPIF接口是否处于空闲状态

   {if（！（EP24FIFOELGS＆0x02）） //自动向量是否可以访问EP2FIFO中数据

   {IOA＝0x04； //选择HPID寄存器，且访问时地址自动增加

   while（！HPI_RDY）；　//等待HPI处理完毕

   SYNCDELAY；

   GPIFTCB1＝EP2FIFOBCH； //写入的字节数

   SYNCDELAY；

   GPIFTCB0＝EP2FIFOBCL；

   SYNCDELAY；

   GPIFTRIG＝GPIF_EP2；　 //启动写数据

   SYNCDELAY；

   While（！（GPIFTRIG＆0x80）    //等待写入完毕

   {；}

   SYNCDELAY；}}
这样程序数据就可以分段通过端点2写入DSP内部RAM，最后再把入口地址写入0x7F，以完成HPI自举，值得注意的是，采用此种方式访问HPID时，写入HPIA的初值为程序入口的一个地址，例如，写test1.hex时，应设定HPIA＝0x1fff。
为缩短开发周期，本设计采用开发包中通用驱动（ezu***.sys）和EZUSB Control Panel进行开发、调试、也可以对通用驱动、控制面板的源程序在VC＋＋环境（需要DDK的支持）下进行二次开发，以便编译出开发者满意的驱动程序和上位机程序。
结束语
通过实践证明，基于USB2.0总线DSP HPI自举的方案是可行的，可以达到预期效果，该方案可以省掉外扩的EPROM、FLASH及RAM等程序存储器，故可节约成本，也便于DSP软件算法升级，而且符合嵌入式系统要求，有很好的应用前景，当然，该方案还有待进一步优化与增强，若要访问外部存储器，还需要编写二次引导程序，以便通过该程序把内部存储器中的数据编译到外部存储器，若需DSP与主机实时通信，则需要USB固件和DSP源程序中编写相应的中断服务程序。

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李阳

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