一種使用USB對ADSP_TS101S進(jìn)行鏈路口加載的方案

ADSP_TS101S(以下簡稱TS101)是美國ADI公司推出的TigerSHARC系列數(shù)字信號處理器中一款高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，它專為大規(guī)模信號處理任務(wù)和通信應(yīng)用進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)等高速實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)。

將程序代碼加載到DSP內(nèi)部程序空間時(shí)，通常采用開發(fā)器的JTAG接口將執(zhí)行文件加載到DSP內(nèi)存里進(jìn)行調(diào)試；在硬件仿真完成后，又通過JTAG接口將生成的ldr文件燒寫到與TS101相連的FLASH里固化。然而在很多情況下，使用開發(fā)器加載或固化程序很不方便，甚至無法實(shí)現(xiàn)，因此需要開發(fā)一種脫離開發(fā)器的TS101加載方式。基于這種需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于USB總線的TS101鏈路口加載，只需一根USB線纜，即可實(shí)現(xiàn)TS1 01的程序在線重加載和固化。

1 Link Port協(xié)議

鏈路口(Link Port)是TS101的一種高速互聯(lián)接口，它的通信是通過一個(gè)8位的數(shù)據(jù)總線和3個(gè)控制信號進(jìn)行的，有4組LINK管腳。其中LxC LKIN和LxCLOUT是時(shí)鐘／應(yīng)答輸入和輸出管腳；LxDAT[7：0]-數(shù)據(jù)輸入輸出總線；LxDIR是LINK的方向指示信號。Link Port的最簡單的連接方式(如圖1所示)用了LxCLKIN，LxCLKOUT，和LxDAT。每個(gè)ADSP-TS101 DSP的LxCLKOUT與其它的LxCLKIN相連，兩片TigerSHARC101 DSP芯片之間用LxDAT數(shù)據(jù)總線相連。

Link Port的最小傳輸單位是8個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)總量為4倍字長(16字節(jié)，在時(shí)鐘的雙沿觸發(fā))。傳輸被發(fā)送端初始化，只有當(dāng)接收端設(shè)置LxCLKOUT(對于發(fā)送端為LxCLKIN)為高電平，發(fā)送才能被初始化為一次傳輸。LxCLKOUT為高電平意味著接收端為接收模式并且接收緩沖器為空。

2 TS101的軟件設(shè)計(jì)流程及加載引導(dǎo)方式

TS101的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。其中，鏈接描述文件(．LDF)定義了整個(gè)系統(tǒng)的存儲器配置和程序中數(shù)據(jù)及代碼的具體存放位置。加載核文件(．DXE)是指加載引導(dǎo)核程序，其大小為32 bit，放在加載文件的起始部分，其功能是用來實(shí)現(xiàn)TS101的正確引導(dǎo)。ADI公司在其DSP集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP++安裝目錄的ldr子目錄下提供了標(biāo)準(zhǔn)加載核文件及相應(yīng)的源程序(．ASM)和鏈接描述文件。一般可直接使用提供的標(biāo)準(zhǔn)加載核文件或?qū)ζ湎鄳?yīng)的源程序進(jìn)行簡單修改，重新編譯鏈接生成所需的加載核文件。加載文件是由引導(dǎo)加載器(elfloader)將可執(zhí)行文件進(jìn)行一定的格式變化，并在起始位置附加上加載核文件生成的。

加載程序的外部設(shè)備可以直接向鏈路口緩沖寫入數(shù)據(jù)，只要寫入速率不超過DSP的主時(shí)鐘頻率即可。此處的外部設(shè)備采用計(jì)算機(jī)的USB總線。鑒于FPGA在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有可靠性高、設(shè)計(jì)靈活、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用FPGA進(jìn)行Link Port與USB的接口設(shè)計(jì)，使USB的輸出滿足Link Port的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)DSP的鏈路口加載。

3 USB總線及其與Link Port的接口

采用FPGA實(shí)現(xiàn)基于USB總線的TS101的Link Port加載結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。


3．1 Link Port發(fā)送模塊

ADI公司網(wǎng)站上有推薦的實(shí)現(xiàn)TS101的Link Port收發(fā)協(xié)議的VHDL代碼，但是比較復(fù)雜，鑒于本文只需要使用Link Port的發(fā)送功能，且無需緩沖，故根據(jù)圖1所示的最小Link Port配置編寫代碼，實(shí)現(xiàn)Link Port發(fā)送功能?；贔PGA的TS101的Link Port發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 中的FIFO負(fù)責(zé)對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的速率高于Link Port時(shí)鐘的頻率時(shí)，Link Port的數(shù)據(jù)可以先存在FIFO數(shù)據(jù)中，當(dāng)存入一定數(shù)量以后，再以Link Port的時(shí)鐘把數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的速率低于Link Port的時(shí)鐘數(shù)率的時(shí)候，Link Port的數(shù)據(jù)同樣可以先存在FIFO中，當(dāng)存入整數(shù)倍的4字?jǐn)?shù)據(jù)量后，再以Link Port的時(shí)鐘的數(shù)率發(fā)送出去。

圖4中的控制模塊是Link Port發(fā)送模塊的關(guān)鍵模塊，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生讀FIFO的讀使能信號和Link Port的發(fā)送時(shí)鐘根據(jù)Link Port發(fā)送的時(shí)序特點(diǎn)，使用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。當(dāng)Link Port沒有工作時(shí)，保持等待狀態(tài)。需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查LxCLKIN是否為高電平，若是，則說明接收端為接收模式并且接收緩沖器為空，可以初始化一次發(fā)送，否則要等待。開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)首先被寫入FIFO中，當(dāng)判斷到FIFO的輸出信號EMPTY為高時(shí)，將處于默認(rèn)高電平的LxCLKOUT信號拉低，在經(jīng)過6個(gè)時(shí)鐘周期的低電平后(在此期間檢測LxCLKIN是否一直為高電平)，LxCLKOUT拉高形成第一個(gè)LINK時(shí)鐘上升沿，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該在數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生FIFO內(nèi)的第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)。LxCLKOUT下一周期拉低，第2個(gè)數(shù)據(jù)輸出，這樣經(jīng)過16個(gè)時(shí)鐘周期以后表示一次4字傳輸完畢。然后檢測FIFO中剩余的數(shù)據(jù)FIFO_RDATA_COUNT，若大于4則繼續(xù)上面的傳輸操作，否則，說明FIFO中只剩最后一個(gè)4字，這次傳輸LxCLKOUT的最后一個(gè)時(shí)鐘上升沿產(chǎn)生以后，不再變低，一直保持高電平。然后，把本模塊中的所有臨時(shí)寄存器和FIFO復(fù)位。在產(chǎn)生完足夠長度脈沖長度的清零信號后狀態(tài)機(jī)重新進(jìn)入等待狀態(tài)。

3．2 USB接口模塊

USB接口模塊采用FPGA控制USB協(xié)議解析芯片來實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

本方案中，USB2．0協(xié)議解析芯片選用CYPRESS公司的CY7C68013A，它將一個(gè)USB外設(shè)所需的所有功能集成在一塊芯片上。芯片提供了3種傳輸數(shù)據(jù)的方式，文中選擇從FIFO(SlaveFIFO)模式。在SlaveFIFO模式下，8051微控制器不在數(shù)據(jù)的傳輸通路上，只負(fù)責(zé)設(shè)備的初始化和相應(yīng)主機(jī)的控制傳輸請求，高速大批量的數(shù)據(jù)傳輸通過外部的主控者通過SlaveFIFO接口直接將數(shù)據(jù)填充到FX2LP的端點(diǎn)中(或者從里面讀出)，然后由硬件控制將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)。

Slave FIFO的讀寫方式有兩種：同步讀寫以IFCLK為時(shí)鐘，IFCLK可以外部輸入，也可以使用內(nèi)部的30 MHz或者48 MHz時(shí)鐘；異步讀寫時(shí)IFCLK信號無效，只需要提供讀寫信號即可進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。本文選擇同步讀寫。

FPGA采用Xilinx公司的XC3S1000。FPGA在其內(nèi)部建立2個(gè)雙口RAM，來緩存收發(fā)數(shù)據(jù)；并與協(xié)議解析芯片的各控制信號相連，實(shí)現(xiàn)對其的讀寫控制。文中僅使用這個(gè)芯片的接收邏輯實(shí)現(xiàn)加載文件的USB總線傳輸，發(fā)送邏輯只用來做輔助調(diào)試和狀態(tài)監(jiān)測。

3．3 LINK口發(fā)送模塊與USB接口模塊之間的接口

USB接口除用于加載TS101外，還可用于TS101正常工作時(shí)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，故對于不同意義的下行信息，需要根據(jù)其功能做不同處理。

上位機(jī)向FX2LP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，是通過將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包(每包的大小由固件程序決定)，每隔固定一段時(shí)間向下發(fā)送一包實(shí)現(xiàn)的。在這里，每包數(shù)據(jù)包含512個(gè)字節(jié)，其中前8個(gè)字節(jié)用來當(dāng)幀頭，后504個(gè)為需要下傳的數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^幀頭的不同來區(qū)分下行信息的不同意義。其具體含義如表1所示。

FPGA輪詢每包數(shù)據(jù)的幀頭，如果是TS101與PC機(jī)交互數(shù)據(jù)，則送到雙口RAM中；如果是TS101加載數(shù)據(jù)，則送到LINK口發(fā)送模塊中；如果是／BMS拉高(低)指令，則通過相應(yīng)的管腳拉高(低)／BMS；如果是復(fù)位TS101指令，則通知復(fù)位邏輯對TS101進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)復(fù)位數(shù)據(jù)緩沖FIF O。
在實(shí)現(xiàn)基于USB總線的TS101的LINK加載時(shí)，上位機(jī)將DSP加載文件(．ldr文件)打包后，通過USB線纜向FX2LP發(fā)送。．ldr文件的大小不一定為504字節(jié)的整倍數(shù)，因此最后一包數(shù)最后可能有很多0。必須把這些0去掉，否則可能在加載TS101時(shí)導(dǎo)致其死機(jī)。為解決該問題，在幀頭定義中，用幀頭2來區(qū)分是否為最后一包數(shù)，如果不是最后一包數(shù)，上位機(jī)打包時(shí)，幀頭2賦為01F8(即504)，如果是最后一包數(shù)，則把將有效數(shù)據(jù)長度賦給幀頭2。FPGA不斷將TS101加載數(shù)據(jù)送到LINK口發(fā)送模塊中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)是最后一包數(shù)據(jù)時(shí)，讀取有效數(shù)據(jù)的長度，并啟動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)到該長度時(shí)，讓FIFO讀使能失效，則只有l(wèi)dr文件的有效數(shù)據(jù)被加載到TS101中。

4 TS101程序在線重加載和固化的實(shí)現(xiàn)

首先通過上位機(jī)發(fā)送／BMS拉高指令，讓FPGA將TS101的／BMS管腳拉高，然后發(fā)送復(fù)位TS101指令，復(fù)位TS101和FIFO；之后，發(fā)送／BMS拉低指令，讓FPGA將TS101的／BMS管腳拉低，最后，將ldr文件打包為TS101加載數(shù)據(jù)包并向下發(fā)送。發(fā)送完畢后，TS101即可運(yùn)行該程序。
若要實(shí)現(xiàn)TS101程序的固化，則可將要燒寫的程序生成為ASCII格式的ldr文件，轉(zhuǎn)化為．dat格式，通過include指令編譯到EPROM(FLASH)的燒寫程序中，生成為Link加載ldr文件，通過USB總線進(jìn)行加載。燒寫完成后，可通過閃燈或通過USB總線上傳狀態(tài)信息來指示燒寫結(jié)果。

5 結(jié)束語

文中提出的基于USB的TS101鏈路口加載方法成功應(yīng)用于某雷達(dá)信號處理平臺的程序加載，其功能驗(yàn)證是通過使用本方法加載各種DSP應(yīng)用程序并進(jìn)行功能測試來完成的。使用該方案能穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)TS101程序的重加載，并且能對與之相連的FLASH芯片AT29LV040A進(jìn)行成功燒寫。