51單片機與DSP主從機系統(tǒng)及其HPI程序加載

代傳波，廖 武，羅 鵬，朱國華，王益元

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.清華大學(xué)工程物理系，北京 100084)

0 引言

在我國傳統(tǒng)船用自動化儀表設(shè)計領(lǐng)域中51系列單片機被廣泛應(yīng)用，設(shè)計出了很多優(yōu)秀的產(chǎn)品［1］。但隨著技術(shù)迅速發(fā)展，儀表系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)8位單片機難以勝任，對它們進行數(shù)字化升級，成了當務(wù)之急。引入新型的DSP(數(shù)字信號處理器)作為從機進行數(shù)據(jù)處理，保留傳統(tǒng)MCU(單片機)作為主機進行邏輯控制是一種很好的解決方案。

TI公司的 DSP芯片 TMS320VC5402(下文以DSP代稱)是目前國內(nèi)最流行的數(shù)字信號處理芯片之一，WINBOND公司的51系列單片機 W77E58(下文以MCU代稱)也是國內(nèi)常用的微控制器之一，本文以它們?yōu)閷嵗齺韺ι鲜鲋鲝臋C結(jié)構(gòu)設(shè)計方式進行介紹。文中采用的DSP程序編譯軟件為CCS2.0，MCU程序編譯軟件為Keil uVision3。

由于C5402芯片內(nèi)沒有Flash和EPROM等可編程程序存儲器，在實際設(shè)計中DSP的程序只能保存在外部存儲介質(zhì)中。DSP復(fù)位后必須先把程序代碼從外部存儲介質(zhì)搬運到內(nèi)部高速RAM之后才能運行，這個代碼搬運過程叫做Bootload(加載或引導(dǎo))［2］。DSP程序加載方式有多種，本方案選擇HPI加載方式，原因如下:

1)HPI接口是主從機結(jié)構(gòu)必備接口。由于系統(tǒng)采用主從機結(jié)構(gòu)方式，無論選擇何種加載方式，其HPI通信模塊的軟、硬件設(shè)計都必不可少。

2)HPI加載方式可精簡外部設(shè)備。W77E58內(nèi)置32K字節(jié)Flash程序存儲器，其空間足夠容納DSP和MCU程序內(nèi)容。將DSP數(shù)據(jù)處理程序存放其中，可避免DSP周邊引入擴展Flash或EPROM等器件，有利于降低成本、提高系統(tǒng)可靠性。

1 主從機結(jié)構(gòu)的HPI口硬件連接及其軟件接口

MCU與DSP主從機系統(tǒng)硬件連接方式如圖1所示。

圖1 MCU與DSP主從機HPI口硬件連接Fig.1 Hardware conection of HPI port between DSP slave and MCU master

在這種結(jié)構(gòu)下，MCU作為主機可以通過HPI接口訪問DSP片上RAM所有地址空間，通過HPI口讀寫可以完成大批量數(shù)據(jù)交換。主從機通信應(yīng)答采用相互中斷方式實現(xiàn):DSP通過寫HPIC寄存器使得/HINT引腳置低，該信號接入MCU的/INT0引腳中斷通知MCU;MCU也可以通過寫HPIC寄存器來使得DSP進入HPI中斷以控制DSP。

MCU地址和DSP HPI相關(guān)寄存器對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 MCU地址和DSP HPI相關(guān)寄存器對應(yīng)關(guān)系列表Tab.1 List of MCU address and DSP HPI registers maping

在MCU程序中編寫讀寫函數(shù)，以通過HPI進行DSP和MCU通信［3］，如表2所示。

表2 MCU與DSP HPI通信讀寫函數(shù)列表Tab.2 List of HPI read/write fuctions between MCU and DSP

2 DSP HPI程序加載流程

按圖1所示硬件連接，DSP復(fù)位后MP/MC引腳采樣為“0”表示DSP設(shè)置為微計算機模式，DSP片內(nèi)固化的bootloader程序開始執(zhí)行，其流程如圖2所示［4］。

圖2 DSP bootloader程序流程 (HPI部分)Fig.2 Flowt chart of boot loader(part of HPI)

DSP復(fù)位時/HINT引腳發(fā)出的下降沿脈沖接入/INT2引腳，/INT2中斷被接收，使得bootloader識別出 DSP的加載方式為 HPI程序加載。其后bootloader進入循環(huán)，DSP不斷查詢其內(nèi)存0x007f地址內(nèi)容 (在此期間MCU通過HPI把DSP程序代碼搬入DSP內(nèi)存，代碼搬運完畢之后MCU改寫DSP內(nèi)存0x007f地址內(nèi)容)。當bootloader發(fā)現(xiàn)0x007f地址內(nèi)容不為0，則把此內(nèi)容作為DSP程序運行的入口地址，跳轉(zhuǎn)到該入口地址開始運行DSP程序。

3 DSP HPI程序加載代碼的獲取

在MCU與DSP構(gòu)成的主從機系統(tǒng)HPI加載過程中，最關(guān)鍵的操作為獲取DSP HPI程序加載代碼，下面用一個簡單例子詳細介紹HPI加載方式代碼的獲取步驟。

3.1 DSP程序編寫及COFF格式文件生成

在CCS2.0中用C語言編寫一段簡單的DSP程序，該程序的功能是在DSP的XF引腳上產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖信號，其源程序sample.c內(nèi)容如下:

3.2 從COFF文件中提取HEX數(shù)據(jù)文件

COFF文件 (即*.out文件)不是存儲器映像文件，不能直接載入DSP內(nèi)存。從外部加載DSP程序時，需利用TI公司提供的工具coff_both.exe從COFF文件提取HEX文件 (即*.out.c文件)以用于加載。HEX文件中以數(shù)據(jù)形式列出了COFF文件中各section(段)在DSP內(nèi)存中的“段目的地址”、“段長度”和“段代碼”等信息［5］。

提取 HEX文件的具體方法為，將 coff_both.exe與sample.out文件放于同一目錄，在DOS模式下輸入如下命令:

3.3 將HEX數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為MCU中的代碼數(shù)組

根據(jù)*.out.c文件列出的section信息，把其“段代碼”定義成長度為“段長度”的uint型數(shù)組，其“段目的地址”則是MCU準備將該數(shù)組通過HPI寫到DSP內(nèi)存中的目的地址 (見表2)。

按照上述方法把*.out.c文件中的每個section均定義為1個數(shù)組，并保存在MCU程序源文件中等待HPI寫入加載。修改后的HEX文件 sample_mcu.out.c內(nèi)容如下:

4 單片機HPI程序加載流程

按圖1所示硬件連接。DSP復(fù)位時/HINT發(fā)出下降沿脈沖接入MCU的/INT0引腳，/INT0中斷被接收。MCU在中斷處理程序中對DSP進行HPI程序加載，其流程如圖3所示。

MCU首先通過寫DSP控制寄存器初始化DSP的HPI口，然后清“0”DSP整個片上內(nèi)存，接著把提取到的DSP程序各段代碼數(shù)組通過HPI寫操作搬運到DSP內(nèi)存對應(yīng)位置，最后在DSP內(nèi)存0x007f寫入DSP程序入口地址，加載過程完畢。

在MCU程序中用于HPI程序加載的C語言函數(shù)源代碼如下:

圖3 MCU HPI程序加載流程Fig.3 Flow chart of MCU HPI bootload

5 結(jié)語

使用51單片機和DSP組成的主從機系統(tǒng)及其HPI程序加載方式的解決方案，既實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀表的數(shù)字化升級又充分利用了原有設(shè)計資源，其硬件結(jié)構(gòu)精簡、軟件設(shè)計靈活?；诒局鲝臋C系統(tǒng)設(shè)計已在筆者研制的船用蒸汽發(fā)生器泄漏率監(jiān)測儀(N16監(jiān)測儀)中得到應(yīng)用，經(jīng)過3年的工程應(yīng)用證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運行可靠。

在第3節(jié)“DSP HPI程序加載代碼的獲取”中提到的操作較繁雜，需要在DOS界面調(diào)用多個軟件工具完成，實際工作中應(yīng)考慮簡化。對此，在coff_both.exe的基礎(chǔ)上［6］編制了windows環(huán)境運行的代碼提取程序 BootLoaderCode.exe。一方面，它擴展了section“段長度”限制，避免了代碼提取過程中section被拆分的現(xiàn)象 (擴展后的段長為65536字節(jié)，DSP程序段長度基本不會超過該值)。另一方面，通過它提取出的*.out.c文件被直接編排為MCU中的代碼數(shù)組格式，避免了手動拷貝代碼操作。

使用BootLoaderCode.exe提取代碼，將3.2和3.3節(jié)兩步合并為一步完成，可簡化繁瑣的人工操作，避免錯誤引入，能顯著提高工作效率。

［1］李朝青.單片機原理及接口技術(shù)(簡明修訂版)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.LI Cao-qing.Theory and interface technology of single-chip microcomputer(concise emend version)［M］.Beijing:Beihang University Press，2002.

［2］張雄偉.曹鐵勇DSP芯片的原理開發(fā)與應(yīng)用(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000.ZHANG Xiong-wei，CAO Tie-yong.The designing principle and application of DSP(V2)［M］.Beijing:Electronic Inderstry Press，2000.

［3］馬忠梅，等.單片機的c語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000.MA Zhong-mei，et al.Design of C language application in single-chip microcomputer［M］.Beijing:Beihang University Press，2000.

［4］PEREZ R D.TMS320VC5402及 TMS320VC5402程序加載［DB/CD］.TI公司應(yīng)用報告 SPRA618A，2002.PEREZR D.TMS320VC5402 and TMS320VC5402 Bootloader ［DB/CD］.TI Application Report SPRA618A，2002.

［5］TATER S.TMS320VC5402在 HPI模式下的程序加載［DB/CD］.TI公司應(yīng)用報告 SPRA382，2002.TATER S.Bootloading the TMS320VC5402 in HPI Mode［DB/CD］.TI Application report SPRA382，2002.

［6］CHHABRA A，IYER R.從COFF文件中提取對等的Hex數(shù)值［DB/CD］.TI公司應(yīng)用報告 SPRA573，1999.CHHABRA A，IYER R.Extracting equivalent hex values from a COFF file［DB/CD］.TI Application Report SPRA573，1999.