基于TMS320VC55x DSP在線升級(jí)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石乃軒， 馮 偉， 王 健， 季曉勇

（南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210093）

0 引言

近年來，以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心的各種電子產(chǎn)品得到了越來越廣泛地應(yīng)用，DSP已成為電力、通信、自動(dòng)控制以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。一般來說，采用高性能DSP設(shè)計(jì)的復(fù)雜設(shè)備或系統(tǒng)，在其產(chǎn)品生命周期內(nèi)，有必要具備一種有效的在線升級(jí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)原功能的改進(jìn)或全新的功能。這種軟件升級(jí)是系統(tǒng)調(diào)試和功能完善的重要手段，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性能力。

目前，DSP系統(tǒng)一般采用FLASH存儲(chǔ)器作為外部擴(kuò)展非易失存儲(chǔ)器。對(duì)于FLASH的編程一般有兩種方法：通用FLASH編程器和DSP的JTAG接口。第一種方法操作時(shí)需要把芯片從電路板上取下，在貼片式FLASH存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用的今天已不適用；而對(duì)于JTAG接口的方法，由于不能脫離DSP的開發(fā)環(huán)境，也不適合做現(xiàn)場(chǎng)編程[1-4]。

提出了一種通過異步串行接口UART實(shí)現(xiàn)DSP程序升級(jí)的方案。因?yàn)榇谠O(shè)備眾多，這為DSP系統(tǒng)的程序升級(jí)提供了多種簡(jiǎn)單可行方式。

1 系統(tǒng)描述

DSP的異步串行接口UART可以靈活地?cái)U(kuò)展為現(xiàn)場(chǎng)總線RS485/CAN、紅外接口或通過AT指令集連接到GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)。具體采用什么樣的連接方式，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)組網(wǎng)模式、性能要求和成本價(jià)格等諸多因素進(jìn)行綜合考慮。

1.1 升級(jí)系統(tǒng)組成

現(xiàn)給出的在線升級(jí)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。從通信信道的類型看，分為三種：①現(xiàn)場(chǎng)總線升級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)配置服務(wù)器通過現(xiàn)場(chǎng)總線RS485/CAN發(fā)送命令及升級(jí)包，控制DSP進(jìn)行升級(jí)，這種方式一次控制升級(jí)多個(gè)DSP終端；②通過紅外掌上機(jī)與DSP的紅外接口進(jìn)行通行完成升級(jí)，因?yàn)榧t外信道的特點(diǎn)，一次只能升級(jí)一臺(tái)DSP終端，但操作簡(jiǎn)便靈活；③借助移動(dòng)公網(wǎng)的遠(yuǎn)程配置方式，遠(yuǎn)程配置服務(wù)器遠(yuǎn)端服務(wù)器就可通過公共網(wǎng)絡(luò)和DSP系統(tǒng)的GPRS/CDMA模塊建立通信，實(shí)現(xiàn)達(dá)到控制DSP的遠(yuǎn)程升級(jí)。此種方法也可一次升級(jí)多個(gè)終端，適合于升級(jí)野外危險(xiǎn)環(huán)境的DSP終端。在這三種升級(jí)過程中，DSP終端響應(yīng)配置服務(wù)器的升級(jí)命令，接收及校驗(yàn)升級(jí)包，并且如果在升級(jí)過程中出現(xiàn)故障，DSP終端能夠自動(dòng)恢復(fù)最近的程序。

圖1 升級(jí)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 DSP終端硬件設(shè)計(jì)

DSP終端的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由DSP、存儲(chǔ)器及并串轉(zhuǎn)換芯片組成。其核心DSP采用TI公司的55系列中高性能的 TMS320VC5509A，能夠完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備及接口[5]。DSP的外部存儲(chǔ)器包括SDRAM和FLASH。其中SDRAM采用64Mbit（4 M×16 bit）的 HY57V641620；FLASH采用 8 Mbit（512 K×16 bit）的S29AL008D。TL16C550并串轉(zhuǎn)換芯片完成DSP并行接口到串行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。SDRAM、FLASH、TL16C550和DSP之間通過總線方式交互進(jìn)行。異步串行信號(hào) UART接上不同的串行接口芯片，就能實(shí)現(xiàn)多種通行方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)需要可選擇一種或幾種接口，以實(shí)現(xiàn)一種或幾種升級(jí)方式。

圖2 DSP終端的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 TMS320VC55x的引導(dǎo)機(jī)制

TMS320VC55x系統(tǒng)上電后可根據(jù)控制信號(hào)選擇不同的引導(dǎo)方式[6-8]。該系統(tǒng)采用EMIF并行接口方式啟動(dòng)。上電后，DSP運(yùn)行片內(nèi)ROM中的引導(dǎo)程序（Bootloader），引導(dǎo)程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后，引導(dǎo)程序把外部FLASH中的程序加載到內(nèi)存并開始執(zhí)行。TMS320VC55x系列DSP內(nèi)部24根地址線只引出 14根外部地址線，這意味著引導(dǎo)程序加載的用戶程序大小不能超過16 K字節(jié)長(zhǎng)，否則不能正常引導(dǎo)。

針對(duì)引導(dǎo)程序的不足，二次引導(dǎo)機(jī)制被引入，其原理是用戶根據(jù)引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)編寫自己引導(dǎo)程序即二次引導(dǎo)程序（Userbootloader）以實(shí)現(xiàn)用戶程序二次加載。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，片內(nèi)引導(dǎo)記錄區(qū)的引導(dǎo)程序首先裝載二次引導(dǎo)程序到內(nèi)存中指定的單元并執(zhí)行，然后二次引導(dǎo)程序裝載FLASH上的主程序到內(nèi)存空間執(zhí)行。二次引導(dǎo)程序中可以利用DSP的通用IO口來擴(kuò)展地址線，解決大于16 K字節(jié)長(zhǎng)的用戶程序的加載問題，通過配置EMIF總線，可以靈活地讀寫取FLASH中的所有內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)靈活的程序加載和更新功能。

3 DSP在線升級(jí)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件層次結(jié)構(gòu)

DSP系統(tǒng)的在線升級(jí)軟件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。從結(jié)構(gòu)看，在線升級(jí)系統(tǒng)包括：引導(dǎo)程序、二次引導(dǎo)程序、升級(jí)程序、用戶程序，以及引導(dǎo)記錄區(qū)。最底層為引導(dǎo)程序，負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后把FLASH中的二次引導(dǎo)程序加載到RAM；第二層設(shè)計(jì)了二次引導(dǎo)程序，用于解決DSP片內(nèi)引導(dǎo)程序引導(dǎo)地址空間的限制，同時(shí)二次引導(dǎo)程序是用戶自己編寫，實(shí)現(xiàn)更加靈活，可以完成更復(fù)雜的程序加載和引導(dǎo)；第三層是升級(jí)程序（UpdatePro），負(fù)責(zé)用戶程序和其本身的升級(jí)，其中包含了升級(jí)的通信協(xié)議及升級(jí)錯(cuò)誤的處理；第四層為用戶程序（UserPro），是DSP系統(tǒng)的日常工作程序。此外，還有引導(dǎo)記錄區(qū)，記錄有關(guān)引導(dǎo)及升級(jí)的標(biāo)志信息。

圖3 在線升級(jí)軟件層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的引導(dǎo)過程實(shí)際上就是按預(yù)先規(guī)定的格式讀取FLASH上的程序到RAM中的過程。在TMS32055x系列DSP中，片內(nèi)引導(dǎo)程序是按照引導(dǎo)表格式[]讀取FLASH中的程序到指定內(nèi)存的。在線升級(jí)系統(tǒng)中的二次引導(dǎo)程序、升級(jí)程序以及用戶程序的均遵循引導(dǎo)表格式的要求?？紤]到FLASH按片區(qū)擦除的特點(diǎn)，這些程序模塊按片區(qū)進(jìn)行對(duì)齊。此外，系統(tǒng)采用乒乓存儲(chǔ)方式，提供了一種在操作過程中遇到斷電或誤操作造成的升級(jí)失敗情況下的升級(jí)恢復(fù)措施，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.2 軟件操作流程

系統(tǒng)有兩種升級(jí)方式：①立即升級(jí)；②下次重啟后升級(jí)，如下頁(yè)圖 4所示。這兩種升級(jí)方式由主機(jī)發(fā)來的升級(jí)命令控制。當(dāng)用戶程序從串口收到數(shù)據(jù)后，判斷是否為升級(jí)命令及采用何種升級(jí)方式。如果是立即升級(jí)，則主程序在執(zhí)行完相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存工作后，立即跳轉(zhuǎn)到升級(jí)程序進(jìn)行升級(jí)。如果是下次重啟后升級(jí)，則主程序往引導(dǎo)記錄區(qū)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。下次重啟后二次引導(dǎo)程序自動(dòng)引導(dǎo)升級(jí)程序進(jìn)行升級(jí)。

圖 4 在線升級(jí)程序時(shí)序

引導(dǎo)記錄區(qū)由10部分組成，如表1所示。主要負(fù)責(zé)在啟動(dòng)時(shí)告訴二次引導(dǎo)程序怎么引導(dǎo)裝載程序及是否需要升級(jí)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用戶程序及升級(jí)程序在FLASH中都有兩片存儲(chǔ)空間，用來保存升級(jí)前的程序，以便在升級(jí)出現(xiàn)故障后恢復(fù)。在引導(dǎo)記錄區(qū)中，用戶程序起始地址1和2存放的是兩段用戶程序在FLASH中的存儲(chǔ)地址。引導(dǎo)向量確定在啟動(dòng)時(shí)從哪一片地址引導(dǎo)程序。同樣，升級(jí)程序起始地址1和2是兩段升級(jí)程序在FLASH中的存儲(chǔ)地址。升級(jí)向量決定了加載哪個(gè)升級(jí)程序。升級(jí)標(biāo)志說明是否需要升級(jí)，如果要升級(jí)則只引導(dǎo)裝載升級(jí)程序并跳入執(zhí)行。最后的校驗(yàn)和用來判斷引導(dǎo)記錄區(qū)是否損壞。如果損壞則從Backup區(qū)恢復(fù)。

表1 引導(dǎo)記錄區(qū)

4 結(jié)語

以TI公司的TMS320VC55x系列DSP為例介紹了一種利用串口進(jìn)行DSP在線升級(jí)方法。此方法能方便實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端或本地DSP終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)升級(jí)，滿足了DSP終端升級(jí)和維護(hù)的要求。現(xiàn)已成功運(yùn)用于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且此方法可推廣到其他嵌入式微處理器系統(tǒng)。

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