基于TMS320DM6437的McBSP與EDMA實(shí)現(xiàn)串口通信

屈姍姍，夏威，何子述

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731）

TMS320DM6437是專為高性能、低成本視頻應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，主頻600 MHz，32位定點(diǎn)，采用達(dá)芬奇（DaVinci（TM））技術(shù)。該器件采用TI第3代超長(zhǎng)指令集結(jié)構(gòu)（VelociTI.3）的TMS320C64x+DSP內(nèi)核，主頻可達(dá)600 MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)4 800 MIPS?；赥MS320DM6437諸多特點(diǎn)，這里提出一種實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA的雙向數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)方案，采用TMS320DM6437的McBSP和EDMA實(shí)現(xiàn)異步串口通信。McBSP接口是全雙工串行接口，提供收發(fā)數(shù)據(jù)雙緩沖以處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流，并可獨(dú)立配置收發(fā)部分，接收和發(fā)送都可使用獨(dú)立的幀信號(hào)和時(shí)鐘源。TMS320DM6437有2個(gè)獨(dú)立的McBSP接口（McBSP0和McBSP1）。EDMA可處理該處理器上所有內(nèi)存單元和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，且不占用DSP時(shí)鐘周期，EDMA還提供針對(duì)McBSP的同步事件，可方便控制數(shù)據(jù)傳輸。接收數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通過(guò)McBSP傳到DSP的DRR寄存器中，觸發(fā)McBSP接收同步事件，EDMA將數(shù)據(jù)搬入DSP內(nèi)存。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)EDMA從DSP內(nèi)存中將數(shù)據(jù)搬入DSP的DXR寄存器時(shí)，利用McBSP發(fā)送同步事件，將數(shù)據(jù)傳輸給FPGA。

1 硬件接口電路設(shè)計(jì)

McBSP接口的硬件連接如圖1所示。DSP的McBSP接口可由內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器或外部器件提供收/發(fā)時(shí)鐘信號(hào)（CLKR/CLKX）及收/發(fā)幀同步信號(hào)（FSR/FSX）。為了簡(jiǎn)化FPGA內(nèi)部時(shí)序，以上信號(hào)均由FPGA提供。圖1中的EN_IN、EN_OUT為DSP控制FPGA中McBSP接口的使能信號(hào)，它們均與DSP的GPIO相連。當(dāng)EN_IN為高時(shí)，F(xiàn)PGA接收DSP的數(shù)據(jù)；當(dāng)EN_OUT為高時(shí)，F(xiàn)PGA開(kāi)始向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)[1]。

圖1 McBSP硬件連接圖Fig.1 Block diagram of McBSP

2 軟件程序設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的C6000型DSP對(duì)McBSP和EDMA進(jìn)行操作時(shí)，多使用TI公司提供的CSL（Chip Support Library）進(jìn)行編程操作，由于TMS320DM6437不支持CSL，而是改用PSP（Processor Support Package），所以對(duì)TMS320DM6437 McBSP接口采用PSP提供的McBSP Driver，主要用McBSP Driver提供的LLC層API進(jìn)行編程。LLC層提供基于不同平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)核心抽象。在該層可進(jìn)行寄存器操作，宏定義，并且底層API可直接與硬件通信。

對(duì)應(yīng)的EDMA程序開(kāi)發(fā)則采用EDMA LLD（EDMA Low Level Driver）提供的各種庫(kù)進(jìn)行編程。LLD實(shí)際上包含2個(gè)庫(kù)用于管理EDMA外設(shè)：一個(gè)是EDMA RM（EDMA Resource Manager），管理所有的EDMA硬件資源以及中斷；另一個(gè)是EDMA DRV（EDMA Driver），完成所有EDMA相關(guān)配置，并且通過(guò)RM滿足資源需求。當(dāng)調(diào)用DRV層API進(jìn)行操作時(shí)，實(shí)際上是通過(guò)DRV層API調(diào)用RM層API來(lái)對(duì)EDMA外設(shè)寄存器進(jìn)行直接操作來(lái)配置EDMA硬件。

本例中實(shí)現(xiàn)DSP和FPGA通信時(shí)，McBSP所需的幀同步信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)均由FPGA產(chǎn)生，McBSP發(fā)送過(guò)來(lái)32 bit的數(shù)據(jù)，DSP內(nèi)部采用EDMA方式接收數(shù)據(jù)，McBSP接收同步事件觸發(fā)EDMA傳輸，將數(shù)據(jù)放入DSP片內(nèi)二級(jí)存儲(chǔ)器的緩沖區(qū)，等待DSP處理。為了保證后寫入的數(shù)據(jù)不會(huì)覆蓋先寫入的還沒(méi)來(lái)得及被DSP處理的數(shù)據(jù)，片內(nèi)二級(jí)存儲(chǔ)器緩沖區(qū)采用乒乓緩沖結(jié)構(gòu)。同樣，DSP發(fā)送32 bit數(shù)據(jù)給FPGA時(shí)，也是通過(guò)EDMA方式，由McBSP發(fā)送同步事件觸發(fā)EDMA傳輸[2]。

2.1 McBSP配置

McBSP的開(kāi)啟以及參數(shù)配置均采用LLC提供的API以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成。但是因?yàn)門MS320DM6437的引腳多采用引腳復(fù)用，并且GPIO和McBSP引腳復(fù)用到一起，由于本例中McBSP幀同步信號(hào)是由外部源產(chǎn)生，為了保證能監(jiān)測(cè)到第一個(gè)幀同步信號(hào)，需先在PINMUX寄存器里將復(fù)用的引腳配置成GPIO模式，等檢測(cè)到幀同步信號(hào)后，再將復(fù)用的引腳恢復(fù)成McBSP模式。

2.1.1 接收數(shù)據(jù)格式配置

McBSP接收數(shù)據(jù)格式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LLC_RcvDataSetup中設(shè)置，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在McBSP Driver提供的頭文件llc_mcbsp-Type.h中定義，在編譯工程文件的時(shí)候需包含此頭文件。接收數(shù)據(jù)為單幀數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，采用幀同步信號(hào)檢測(cè)模式，不進(jìn)行壓縮，數(shù)據(jù)傳輸延遲一個(gè)比特，采用McBSP同步事件產(chǎn)生中斷。McBSP發(fā)送數(shù)據(jù)格式在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LLC_XmitDataSetup中設(shè)置，具體參數(shù)和接收數(shù)據(jù)格式保持一致。McBSP幀同步和時(shí)鐘參數(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LLC_mcbspClkSetup中設(shè)置，該結(jié)構(gòu)同樣在頭文件llc_mcbspType.h中定義。本例中，發(fā)送和接收的幀同步信號(hào)以及時(shí)鐘源都由外部產(chǎn)生，接收和發(fā)送幀同步都是高電平有效，接收時(shí)鐘上升沿有效，發(fā)送時(shí)鐘下降沿有效，幀同步脈沖寬度為1 bit，脈沖周期為32 bit。

2.1.2 啟動(dòng)McBSP

首先調(diào)用McBSP LLC層API對(duì)McBSP接口進(jìn)行設(shè)置，準(zhǔn)備接收FPGA傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)。先調(diào)用函數(shù)LLC_mcbspOpen，該函數(shù)在llc_mcbsp.c中定義，函數(shù)原型為L(zhǎng)LC_mcbspOpen（LLC_McbspObj*const pMcbspObj，Uint32 InstanceId，Int32*pMcbspParam，CSL_Status*pStatus），所需參數(shù)分別為用戶定義的McBSP通道對(duì)象，McBSP通道ID，用戶定義的配置參數(shù)及狀態(tài)信息，返回參數(shù)為指向該通道的句柄hMcbsp。該句柄作為調(diào)用API的參數(shù)。

然后設(shè)置McBSP通道0，調(diào)用函數(shù)LLC_mcbspHwSetup（LLC_McbspHandle hMcbsp，const LLC_McbspHwSetup*setup）。第1個(gè)參數(shù)即為剛才返回的指向McBSP通道0的句柄，第2個(gè)參數(shù)為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，包含了前面定義的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及幀同步和時(shí)鐘參數(shù)結(jié)構(gòu)，這樣就按照實(shí)際應(yīng)用的要求完成了對(duì)McBSP0通道的設(shè)置。配置完成后，相應(yīng)的McBSP寄存器的值為：SPCR=0x0000400；RCR=0x00050040；XCR=0x00050040；SRGR=0x20000001；PCR=0x00000080。

最后利用函數(shù)LLC_mcbspHwControl使能McBSP接收和發(fā)送功能。函數(shù)原型為L(zhǎng)LC_mcbspHwControl（LLC_McbspHandle hMcbsp，LLC_McbspControlCmd cmd，const void*arg）。第1個(gè)參數(shù)為指向McBSP通道0的句柄，第2個(gè)參數(shù)為硬件控制命令，第3個(gè)為對(duì)特定命令的補(bǔ)充說(shuō)明。開(kāi)啟McBSP接收發(fā)送功能時(shí)，硬件控制命令為L(zhǎng)LC_MCBSP_CMD_RESET_CONTROL，使能發(fā)送功能時(shí)，命令補(bǔ)充說(shuō)明為L(zhǎng)LC_MCBSP_CTRL_RX_ENABLE，使能接收功能時(shí)，命令補(bǔ)充說(shuō)明為L(zhǎng)LC_MCBSP_CTRL_TX_ENABLE[3]。

2.2 EDMA配置

2.2.1 EDMA配置原理

EDMA中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類有3種：ARRAY，BLOCK，F(xiàn)RAME，分別對(duì)應(yīng)3種不同類型的傳輸。首先是一維傳輸，即每一個(gè)EDMA事件觸發(fā)的傳輸只傳輸一個(gè)ARRAY，該ARRAY所包含的字節(jié)數(shù)由參數(shù)RAM里的參數(shù)ACNT決定。然后是二維傳輸，每一個(gè)EDMA事件觸發(fā)傳輸一個(gè)FRAME，每個(gè)FRAME里包含的ARRAY數(shù)由參數(shù)BCNT決定。以此類推，三維傳輸即每次傳輸一個(gè)BLOCK，每個(gè)BLOCK里包含的FRAME數(shù)由參數(shù)CCNT決定。

TMS320DM6437的EDMA共有128個(gè)參數(shù)RAM，其中存放每個(gè)EDMA通道需要的各個(gè)傳輸控制參數(shù)，參數(shù)RAM的默認(rèn)對(duì)應(yīng)關(guān)系為：EDMA EVENT0對(duì)應(yīng)參數(shù)RAM0，EDMA EVENT1對(duì)應(yīng)參數(shù)RAM1，等，以此類推。但是也可以在DCHMAP0-63寄存器里修改相應(yīng)位自行對(duì)應(yīng)。參數(shù)RAM的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 EDMA3的參數(shù)RAM結(jié)構(gòu)Fig.2 RAM constructer of EDMA3

一個(gè)參數(shù)RAM的長(zhǎng)度為32個(gè)字節(jié)。首先是32 bit的可選參數(shù)OPT，對(duì)于可選參數(shù)，通過(guò)對(duì)各個(gè)位置0或1設(shè)置事件優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)單元大小，源地址/目的地址變更模式，傳輸結(jié)束代碼，是否使能傳輸參數(shù)鏈接（LINK）功能，同步傳輸方式等。SRC和DST為EDMA傳輸所需的源地址和目的地址。SRCBIDX和DSTBIDX用于二維傳輸中，表示一個(gè)ARRAY的開(kāi)始到下個(gè)ARRAY的開(kāi)始所跨越的字節(jié)數(shù)。SRCCIDX和DSTCIDX用于三維傳輸中，一個(gè)FRAME的開(kāi)始到下個(gè)FRAME的開(kāi)始所跨越的字節(jié)數(shù)。BCNTRLD：三維傳輸里需要重新加載的BCNT。LINK：傳輸完成后重新加載的參數(shù)RAM地址，默認(rèn)是LINK到空參數(shù)RAM[4]。

在此實(shí)例中采用的雙緩沖結(jié)構(gòu)，即在DSP緩沖區(qū)內(nèi)開(kāi)辟2塊緩沖用于并行處理FPGA通過(guò)McBSP傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)EDMA往PingBuffer里傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，CPU即可處理PongBuffer里的數(shù)據(jù)，當(dāng)工作完成后，彼此又交換緩沖區(qū)，EDMA往PongBuffer里寫數(shù)據(jù)，CPU處理PingBuffer里的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)雙緩沖結(jié)構(gòu)，采用了EDMA提供的LINK功能，即將不同的EDMA傳輸參數(shù)RAM鏈接起來(lái)，組成一個(gè)傳輸鏈，在傳輸鏈中，一個(gè)傳輸?shù)慕Y(jié)束會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)從參數(shù)RAM中裝載下一個(gè)傳輸需要的事件參數(shù)。在具體程序中，只需將Ping通道的參數(shù)RAM LINK到Pong通道，同時(shí)將Pong通道的參數(shù)RAM LINK到Ping通道即可。

2.2.2 EDMA接收數(shù)據(jù)配置實(shí)現(xiàn)

開(kāi)發(fā)環(huán)境采用CCS 3.3，通過(guò)調(diào)用LLD API實(shí)現(xiàn)對(duì)EDMA Driver的配置以及傳輸操作。

在使用EDMA3 Driver之前必須首先對(duì)其進(jìn)行初始化。EDMA3 LLD提供了2個(gè)API進(jìn)行相關(guān)工作。EDMA3_DRV_create和EDMA3_DRV_open。前者用于創(chuàng)建一個(gè)EDMA3 Driver對(duì)象，后者用于開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的EDMA3 Driver通道。

創(chuàng)建并開(kāi)啟EDMA3 Driver通道后，即可為此通道分配資源以及初始化其配置。首先調(diào)用EDMA3_DRV_requestChannel請(qǐng)求分配一個(gè)DMA通道，隨后對(duì)該通道的參數(shù)RAM進(jìn)行配置，以滿足傳輸需要。EDMA3_DRV_setSrcParams用于設(shè)置該EDMA通道接收數(shù)據(jù)源地址為McBSP0的DRR寄存器，地址為0x01D00000，地址計(jì)數(shù)模式為遞增模式。EDMA3_DRV_setDestParams設(shè)置該EDMA通道接收數(shù)據(jù)目的地址為DSP片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)PingBuffer首地址，確保第一次傳輸數(shù)據(jù)是到PingBuffer，地址計(jì)數(shù)模式同樣為遞增模式。EDMA3_DRV_setSrcIndex用于配置源地址計(jì)數(shù)索引值，由于源地址為McBSP0的DRR寄存器，固定不變，所以srcBidx=0，srcCidx=0。接著調(diào)用EDMA3_DRV_setDestIndex配置目的地址計(jì)數(shù)索引值，由于接收數(shù)據(jù)為32 bits，所以srcBidx=srcCidx=4，這是因?yàn)镈SP內(nèi)的最小計(jì)數(shù)單元為一個(gè)字節(jié)，8 bit。EDMA3_DRV_setTransferParams配置剩余的參數(shù)RAM傳輸參數(shù)，包括設(shè)置ACNT=4，BCNT=2 048，CCNT=1，采用一維傳輸A-SYNC。

接下來(lái)是Ping/Pong傳輸?shù)某绦驅(qū)崿F(xiàn)。需再調(diào)用EDMA3_DRV_requestChannel兩次，替Ping/Pong各自分配一個(gè)通道，于是，一共有3個(gè)通道，對(duì)應(yīng)3個(gè)參數(shù)RAM。Ping通道的參數(shù)RAM與主通道的參數(shù)RAM完全一致，Pong通道的參數(shù)RAM與主通道相比，只需將Pong通道接收數(shù)據(jù)目的地址改為PongBuffer首地址。隨后調(diào)用EDMA3_DRV_linkChannel 3次，分別將主通道和Ping通道LINK，Ping通道和Pong通道相互LINK[5]。

2.2.3 EDMA中斷實(shí)現(xiàn)

結(jié)合DSP/BIOS設(shè)置了EDMA中斷，以便在一個(gè)接收Buffer被填滿時(shí)，產(chǎn)生的EDMA中斷可通知DSP處理該Buffer的數(shù)據(jù)。

TMS320DM6437中，EDMA的128個(gè)通道只產(chǎn)生一種中斷，當(dāng)一個(gè)通道傳輸完成后，IPR（Interrupt Pending Register）寄存器里的相應(yīng)位會(huì)被置1，EDMA中斷處理器通過(guò)查詢IPR寄存器確定是哪個(gè)通道完成了傳輸，并調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序[6]。

EDMA LLD中中斷的設(shè)置通過(guò)調(diào)用EDMA3_DRV_requestChannel實(shí)現(xiàn)。該函數(shù)的參數(shù)中跟中斷有關(guān)的為eventQ（與通道優(yōu)先級(jí)相關(guān)），tccCb（回調(diào)函數(shù)，即通道傳輸完成后所調(diào)用的中斷服務(wù)程序）。本例中，設(shè)置eventQ=0，保證最高優(yōu)先級(jí)，tccCb=edma_isr，該函數(shù)的作用是在通道傳輸完成后發(fā)送一個(gè)旗語(yǔ)信號(hào)給信號(hào)處理程序，通知其對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，還需調(diào)用EDMA3_DRV_setOptField將參數(shù)RAM OPT參數(shù)中TCINTEN位置1，以使能EDMA中斷。隨后，利用DSP/BIOS將EDMA中斷源和DSP的可屏蔽中斷5連接起來(lái)，具體參數(shù)在DSP/BIOS配置文件中的HWI模塊設(shè)置，如圖3所示。

最后，由于選用了TMS320DM6437的可屏蔽中斷5，還需使能IER寄存器里的對(duì)應(yīng)位，C64_enableIER（C64_EINT5）。

2.2.4 EDMA發(fā)送數(shù)據(jù)配置實(shí)現(xiàn)

EDMA發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程和接收數(shù)據(jù)程序流程大略一致，但較為簡(jiǎn)單。只需請(qǐng)求一個(gè)EDMA傳輸通道，配置其源地址為DSP內(nèi)部存放FPGA所需數(shù)據(jù)內(nèi)存首地址，目的地址為McBSP的DXR寄存器。其余參數(shù)和EDMA接收數(shù)據(jù)通道參數(shù)相同。

圖3 HWI模塊設(shè)置框圖Fig.3 Block diagram of setting HWI madule

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

配置好McBSP和EDMA后，啟動(dòng)FPGA傳輸數(shù)據(jù)，DSP做好接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)PGA連續(xù)不斷地發(fā)送自加地?cái)?shù)給DSP，而DSP只發(fā)送2 048個(gè)32 bit的從0開(kāi)始的自加數(shù)據(jù)給FPGA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DSP內(nèi)部的PingBuffer區(qū)和PongBuffer區(qū)能連續(xù)不斷的收到FPGA傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。某一時(shí)刻的PingBuffer區(qū)和PongBuffer區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)如圖4所示，能看出實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了上述功能。

在FPGA端監(jiān)測(cè)到DSP發(fā)送過(guò)去的數(shù)據(jù)如圖5所示，可以看出是從0開(kāi)始的連續(xù)自加數(shù)據(jù)。

圖5 Signal tapII抓取FPGA端數(shù)據(jù)Fig.5 The received data of FPGA obtained by Signal tap II

本例中設(shè)置傳完2 048個(gè)數(shù)據(jù)后EDMA發(fā)送事件觸發(fā)一次中斷，調(diào)用的中斷服務(wù)程序主要作用是發(fā)送一個(gè)旗語(yǔ)信號(hào)給信號(hào)處理程序，并打印出“GOT INTO RCV ISR”，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，隨后已被阻塞的信號(hào)處理程序線程收到旗語(yǔ)信號(hào)后，開(kāi)始運(yùn)行，并打印信息“receive rcv int”，中斷測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看出中斷在連續(xù)不斷的被觸發(fā)。

4 結(jié)論

通過(guò)TMS320DM6437的McBSP和EDMA實(shí)現(xiàn)了異步串口通信，并已經(jīng)通過(guò)軟硬件調(diào)試，該部分已被實(shí)際運(yùn)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中。該方法硬件部分較容易實(shí)現(xiàn)，并且簡(jiǎn)單可靠，且采用EDMA方式，大大節(jié)約了CPU資源，取得了較好的效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖6 中斷測(cè)試結(jié)果Fig.6 The results of interrupt test

[1] TEXAS INSTRUMENTS.TMS320DM643x DMP multichannel buffered serial port（McBSP）interface user's guide[EB/OL].[2007-09].http://focus.ti.com/lit/ug/spru943c/spru943c.pdf.

[2] DSP/BIOS McBSP device driver user's manual[M].TEXAS INSTRUMENTS，2007.

[3] TEXAS INSTRUMENTS.EDMA3 Resource Manager User Guide[Z].2008.12.

[4] TEXAS INSTRUMENTS.TMS320DM643x DMP Enhanced Direct Memory Access（EDMA3）Controller User's Guide[EB/OL].[2008-03].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ug/spru987a/spru987a.pdf.

[5] TEXAS INSTRUMENTS.EDMA3 Driver User's Guide[Z].2008.12.

[6] 任麗香.TMS320C6000系列DSPs的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.