基于MCU+DSP嵌入式平臺的機接口與引導(dǎo)設(shè)計

　　自動化控制要求實時采集數(shù)據(jù)，快速控制，多樣分析，通信靈活，雖然采用單個處理器構(gòu)成的硬件平臺不能滿足要求。采用以MCU+DSP雙處理器為核心的硬件平臺則是較合理的設(shè)計方案。利用DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、分析、計算；MCU完成管理、通信、人機接口等異步系統(tǒng)控制功能。該硬件平臺的MCU與DSP接口設(shè)計與數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，將直接影響系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)傳輸效率。數(shù)據(jù)傳輸通常采用雙端口RAM、串行通信、并行主機等接口方式。其中，并行主機接口的方式可以滿足大量數(shù)據(jù)實時傳輸要求。這里以MCF5272型和ADSP-BF527型數(shù)字信號處理器構(gòu)建一種MCU+DSP雙處理器的嵌入式平臺，詳細論述DSP通過主機DMA端口(HoST DMA Port，簡稱HOSTDP)實現(xiàn)主機引導(dǎo)加載程序以及DSP與主機的通信。

　　2 MCU+DSP雙處理器接口設(shè)計

　　圖l為MCU+DSP雙處理器ADSP-BF527與MCF5272的接口電路。該嵌入式平臺采用ColdFIRe系列的MCF5272型MCU作為主機。MCF5272具有基于第二代ColdFire V2的內(nèi)核，32位數(shù)據(jù)和地址總線，SDRAM接口，4個16位定時器，3通道PWM輸出，主頻高達66 MHz，豐富的外部接口和較強的通信功能。此外，該器件還具有出色的編碼密度和系統(tǒng)性能。

　　該系統(tǒng)DSP采用ADSP-BF527型數(shù)字信號處理器，該器件采用了微信號架構(gòu)(MSA)，時鐘頻率達600 MHz，功耗低至O．8 V，支持強大的片上總線系統(tǒng)，具有多個獨立的DMA控制器，擁有較強的并行數(shù)據(jù)處理能力。ADSP-BF527帶有一個HOSTDP，便于與外部主機構(gòu)成雙處理器架構(gòu)，完成多種數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)。ADSP-BF527的HOSTDP內(nèi)部分為主機外部接口模塊(HEI)、外圍訪問總線(PAB)接口模塊、FIFO模塊、控制邏輯模塊和DMA接口模塊。

　　圖1中，接口電路各信號的功能為：HWAIT為握手信號，防止Boot Kernel忙時主機寫數(shù)據(jù)；HOST_DATA為16位數(shù)據(jù)總線，主機與從機數(shù)據(jù)交換的通道；HOST_ADDR為訪問屬性信號，O表示訪問數(shù)據(jù)接口，l表示訪問配置接口；HOST_CE為主機對從機使能；HOST_WR為主機寫入HOSTDP使能信號；HOST_RD為主機讀取HOSTDP使能信號；HOST_ACK為數(shù)據(jù)傳輸握手信號，應(yīng)答模式下為HRDY，中斷模式下為FRDY；TOUT為讀寫操作超時信號，應(yīng)答模式下Host—Timeout計數(shù)溢出時產(chǎn)生；BMODE[3：0]為啟動模式設(shè)置信號。

　　3 ADSP—BF527啟動與程序加載

　　ADSP—BF527復(fù)位包括硬件和軟件復(fù)位，復(fù)位中斷優(yōu)先級最高。當釋放RESET信號后，該處理器開始從片內(nèi)BootROM的0xEF00 0000地址讀取指令并執(zhí)行。片內(nèi)Boot ROM含有一個Boot引導(dǎo)核，用于預(yù)引導(dǎo)和加載用戶數(shù)據(jù)。

　　3．1 預(yù)引導(dǎo)

　　ADSP—BF527復(fù)位后，Boot引導(dǎo)核首先調(diào)用Preboot子程序。Preboot子程序通過訪問一次可編程ROM(OTP)中的工廠設(shè)置頁(FPS)和預(yù)引導(dǎo)設(shè)置頁(PBS)來設(shè)置系統(tǒng)映射寄存器(MMR)，包括鎖相環(huán)(PLL)、電源調(diào)節(jié)、SDRAM控制器、異步外部總線接口單元(EBIU)、HWAIT的信號模式以及0TP定制引導(dǎo)。

　　PBS由用戶設(shè)置，每次使用4頁。當PBS出現(xiàn)錯誤時，可置0TPINVALID位，使其無效，再使用下一個4頁。如果設(shè)置PBS首頁的PLL和電源調(diào)節(jié)錯誤，可采用BMODE=0000引導(dǎo)模式補救。該模式預(yù)引導(dǎo)程序不讀取PBS頁，F(xiàn)PS處理后，ADSP-BF527處理器變?yōu)榭臻e狀態(tài)。

　　處于安全考慮，PBS頁設(shè)置引導(dǎo)模式禁止／使能位，禁止其他引導(dǎo)方式。這樣即使BMODE引腳設(shè)置對應(yīng)這些禁止引導(dǎo)方式，不會引導(dǎo)Boot引導(dǎo)核進入空閑狀態(tài)。

　　3．2 引導(dǎo)模式設(shè)置

　　預(yù)引導(dǎo)結(jié)束后，Boot引導(dǎo)核根據(jù)BMODE[3：0]引腳設(shè)置啟動相應(yīng)的引導(dǎo)方式加載用戶數(shù)據(jù)(引導(dǎo)流)。引導(dǎo)流為已定義格式，包含若干數(shù)據(jù)塊和特殊指令，每數(shù)據(jù)塊都含有一個16字節(jié)的塊頭，該塊頭由DSP的開發(fā)工具Visual DSP++設(shè)置生成，用于指示引導(dǎo)核是否完成引導(dǎo)過程。BMODE[3：0]引腳設(shè)置的引導(dǎo)模式包括無引導(dǎo)、主機引導(dǎo)和從機引導(dǎo)模式。引導(dǎo)模式設(shè)置如表1所示。

　　其中無引導(dǎo)模式由廠商編程設(shè)置0TP頁完成。主機引導(dǎo)模式中DSP自行加載用戶數(shù)據(jù)．通常是從并行接口的Flash或者SPI、TWI接口的存儲器讀取數(shù)據(jù)。從機模式DSP作為從機，主機控制RESET信號。通常主機先設(shè)置RESET信號，然后通過檢測HWAIT引腳等待預(yù)引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)，最后提供加載用戶數(shù)據(jù)。

　　3．3 HOST DMA引導(dǎo)模式

　　該系統(tǒng)為MCU+DSP架構(gòu)，主處理器MCF5272通過HOSTDP控制從機ADSP-BF527。ADSP—BF527的程序作為MCF5272數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器中。該系統(tǒng)加電復(fù)位后，MCF5272向從機加載程序并引導(dǎo)啟動。因此采用HOST DMA引導(dǎo)設(shè)計較靈活，獨立存儲器個數(shù)少，提高性能并降低成本。系統(tǒng)維護時，F(xiàn)lash中ADSP-BF527程序通過修改主機通信接口，提高產(chǎn)品維護效率。該設(shè)計的BMODE[3：0]引腳電平設(shè)置為1110，采用從機16位HOSTDP引導(dǎo)模式。

　　當主機復(fù)位ADSP—BF527后，ADSP-BF527可從片上BootROM的0xEF00 0000地址執(zhí)行預(yù)引導(dǎo)程序。預(yù)引導(dǎo)結(jié)束后，向主機發(fā)送HWAIT信號，主機開始向ADSP—BF527加載用戶數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)加載完成后，主機發(fā)送HIR9命令，ADSP-BF527引導(dǎo)核執(zhí)行調(diào)用指令，程序指針跳至EVTl寄存器內(nèi)用戶應(yīng)用程序的首地址，將控制權(quán)交給用戶應(yīng)用程序。此時，引導(dǎo)結(jié)束。ADSP-BF527處理器繼續(xù)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。

　　4 HOSTDP數(shù)據(jù)傳輸

　　ADSP-BF527通過外設(shè)接口總線設(shè)置HOST CONTROL寄存器的HOST_EN位使能HOSTDP。如果禁止HOSTDP，應(yīng)在清除HOST_EN位前將HOST_RST置位。一旦使能HOSTDP則由外部主機控制。外部主機通過編程設(shè)置DMA發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并將其存儲到ADSP-BF527有效的內(nèi)部和外部存儲器中。

　　4．1 HOSTDP設(shè)置

　　數(shù)據(jù)傳輸前，主機需配置DMA控制器。主機首先讀取從機HOST_STATUS寄存器的ALLOW_CNFG位。如果允許配置，主機將向HOSTDP發(fā)送7個16位控制字。主機通過這些控制字配置HOSTDP的DMA讀寫、DMA模式、起始地址等參數(shù)。接收所有控制字后，ADSP-BF527根據(jù)控制字重新配置HOETDP。在配置完成前，主機處理器不允許提供新控制字。通過寫入控制字，該設(shè)計將DMA設(shè)置為應(yīng)答模式，數(shù)據(jù)傳輸采用停止模式。

　　總線寬度16位，以先傳輸?shù)臀粩?shù)據(jù)的順序傳輸數(shù)據(jù)。配置完成后，主機以所配置的方式讀寫數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過ADSP-BF527軟件編程設(shè)置控制寄存器中HER和EHW位使能或禁止主機讀寫HOSTDP，HER和EHW的設(shè)置，不會影響到寫配置口、控制命令和讀狀態(tài)。由于主機不能查詢HOSTDP的HER和EHW位，因此，該系統(tǒng)設(shè)計ADSP-BF527一直保持HER和EHW位使能。

　　4．2 數(shù)據(jù)讀寫流程

　　當使能HOSTDP,DMA通道配置后，主機通過所配置的DMA通道與ADSP—BF527通信。數(shù)據(jù)讀寫時，在有效數(shù)據(jù)的最后需附加一個傳輸終止字確保數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)寫操作用于主機向從機的數(shù)據(jù)傳輸。MCF5272將ADSP-BF527所需的信號與設(shè)置寫入HOSTDP的FIFO，DMA同時將從FIFO移出數(shù)據(jù)，并存儲到DMA配置字規(guī)定的存儲器。數(shù)據(jù)讀操作用于從機向主機數(shù)據(jù)傳輸。ADSP—BF527的DMA將從機存儲器中的數(shù)字信號處理結(jié)果移至HOSTDP的FIFO。主機執(zhí)行讀操作，從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。

　　停止模式下ADSP-BF527的HOSTDP讀寫操作流程如圖2所示。其中，DMA_DONE位在DMA將FIFO數(shù)據(jù)移出后置1，在下一次主機寫數(shù)據(jù)時置O。HOSTRD_DONE位在主機將FIFO的數(shù)據(jù)移出后置l，下一次主機讀操作，DMA向FIFO傳輸數(shù)據(jù)時置為0。

　　應(yīng)答模式下，主機對HOSTDP的操作時序如圖3所示。在預(yù)定讀寫溢出時間內(nèi)，ADSP-BF527仍未完成相應(yīng)的讀寫操作，主機未接收到HRDY信號，主機超時寄存器計數(shù)溢出并產(chǎn)生超時中斷。該設(shè)計的中斷服務(wù)程序首先通過GPIO引腳告知主機數(shù)據(jù)讀寫失敗，停止DMA通道數(shù)據(jù)傳輸；當主機重置HRDY信號為高電平，允許下一周期繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；并禁止HOSTDP，在停止模式下，具體的主機讀寫數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

　　5 結(jié)語

　　隨著自動化領(lǐng)域監(jiān)測、控制任務(wù)對嵌入式系統(tǒng)的要求不斷提高，多處理器硬件系統(tǒng)模式的快速發(fā)展，電子技術(shù)和半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展促使DSP和MCU的融合。因此，MCU+DSP的雙處理器結(jié)構(gòu)已成為多核處理器的發(fā)展方向。