I2C總線實現TMS320VC5509A引導裝載設計

1 引言

dsp芯片的bootloader程序用于上電時將用戶程序從外部非易失性、慢速存儲器或外部控制器中裝載到片內高速ram中，保證用戶程序在dsp內部高速運行，ti公司的c55x系列dsp芯片提供多種裝載模式，主要包括hpi引導裝載、串行e2rom引導裝載、并行引導裝載、串行口引導裝載、i2c總線e2rom引導裝載等，通常使用的是并行引導裝載模式，該方式引導速度快實現簡單，但是體積和功耗也較大，隨著串行接口存儲設備容量的提高，串行引導方式體積小、功耗低的優勢便顯現出來了，所以使用arm的串行接口對dsp進行引導裝載，不僅能省去存儲芯片，而且利用arm的isp功能，可以根據需要改變用戶程序，有利于系統的維護和升級。

本文以tms320vc5509a芯片引導裝載為例，詳細介紹了利用arm通過i2c串行引導方式來實現程序的引導裝載，其他引導過程可參考相關技術資料[1]。

tms320vc5509a是ti公司一款16位定點低功耗dsp芯片，其指令周期最快為5ns，片內擁有128×16k高速ram，性價比很高，被廣泛用于嵌入式手持設備、通信、數據采集等領域。

ti公司的dsp芯片出廠時，在片內rom中固化有引導裝載程序（bootloader），其主要功能就是將外部的程序裝載到片內ram中運行，以提高系統的運行速度，c55x系列dsp其bootloader程序位于片內rom空間的0xff0000-0xff8000處，進入bootloader程序后，程序先對dsp進行初始化，配置dsp的堆棧寄存器、中斷寄存器和dsp狀態寄存器，保證在引導裝載用戶程序時不會被中斷，從而引導程序加載失敗。

由于dsp可以通過自舉表對寄存器進行修改，需要注意在bootloader程序運行時，盡量不要修改bootloader程序配置過的中斷控制寄存器，否則會導致不可預料的后果。

2.1 i2c引導模式硬件連接

為了通過i2c總線來實現對dsp引導裝載，通常情況是選擇具有i2c總線接口的e2rom，電路框圖如圖1所示，其中gpio0-gpio3是用來選擇bootloader引導模式，當dsp復位后對這4個管腳電平采樣，根據不同的組合進入到對應的bootloader程序，表1列出了gpio0-gpio3的管腳不同狀態的組合以及對應的bootloader引導方式。sdl和sda分別為i2c的時鐘和數據線，其上拉電阻的大小取決于所連接i2c設備的多少[2]。

如果通過i2c總線對dsp實現引導裝載，對存儲數據的i2c設備有如果幾點要求：

（1）該設備首先必須兼容philips的i2c總線規范v2.1，工作在從設備模式，并且其從設備地址為0x50。

（2）設備內部使用兩個字節尋址，即在接收到主機寫命令后，其后接收到的數據是16位的地址數據。

（3）對設備讀取時，相關設備必須支持自動尋址增量，即每讀一次，其內部地址指針自增1，保證程序按順序讀出。

常用的i2c接口e2rom有st公司的m24系列及philips的pcf85系列的e2rom，根據程序大小選擇相應的芯片，需要注意的是i2c引導模式最多支持64kb的數據。

在i2c引導模式運行時，dsp作為主設備來控制i2c總線的時鐘，對于dsp來說，scl必須滿足根據方程（1）所得到的速率，而i2c引導模式支持的最高時鐘速率為400khz，所以如果想利用i2c引導模式，dsp上電時輸入時鐘就不能大于12mhz。

scl（高）=scl（低）
=15×（dsp輸入時鐘周期） （1）

2.2 i2c引導模式數據存儲方式

為了能正確地將數據從外部存儲器搬移至dsp內部，用戶程序需要將數據按照一定格式存儲在e2rom中，按照這些格式存儲的數據便是自舉表（boot table），自舉表是bootloader程序能正常運行的保證，只有將數據按照自舉表的要求存儲，用戶程序才能被搬移到dsp內部正常運行，在自舉表中除了用戶數據外還需要一些bootloader控制數據，如程序入口地址（entry point address）、寄存器配置（register configurations）和可編程延遲（programmable delay）等，自舉表的結構如圖2所示。

其中程序入口地址在將用戶程序搬移至dsp內部后，用戶程序從該地址處開始運行，通常情況是中斷向量表的reset處，在bootloader搬移數據之前，如果需要可以改變某些寄存器的值，如dsp的clock配置寄存器、emif配置等，通過自舉表配置這些寄存器后，需要一定時間才能正常工作，否則會導致引導程序失敗。延遲計數器是讓bootloader推遲相應的cpu周期再進行數據搬移，確保引導程序正常工作，由于dsp是采用分段格式來組織數據的，如代碼段、數據段和用戶自定義數據段等，所以生成的自舉表也是按照對應格式來建立的分段存儲，這樣有利于程序維護，實現模塊化設計。

在自舉表的最后，是連續的4個字節的全零數據，其目的是為了告訴dsp程序引導完成，可以傳至程序入口執行，同時dsp也發出指示給外部存儲設備告知引導結束，在i2c模式中，作為主機接收設備的dsp信號將會在接收到結束標志后在數據總線上給出停止標志，用來結束數據傳輸。

要建立自舉表，可以利用ti提供的hex轉換程序（hex55.exe），將生成的連接文件轉換成用于存儲器的數據格式[1]。首先，需要建立一個cmd（鏈接命令文件linker command file）文件，輸入需要的鏈接選項，hex55利用該文件提供的各種選項來轉換文件，下面是一個為i2c引導方式建立的cmd文件和其選項以及具體含義：

通常情況下還需定義采用某種方式如-serial8、-parallel16等選項，表示采用何種boot方式從而生成對應的存儲格式，由于采用了i2c模式來引導，所以這些選項可以不使用，另外還可以使用-reg_config和-delay選項，分別來設置需要改變的寄存器值以及需要延遲的cpu周期數，最后需要注意的是hex55程序要使用v2.1及后續版本，早期版本生成的自舉表不能正確引導程序。

3 arm端設計

上面介紹了利用i2c接口的e2rom來實現引導裝載的硬件連接和需要的數據存儲形式，實際利用arm自身的i2c控制器，將自舉表存儲在arm的flash中，并且讓arm按照i2c引導模式中e2rom的時序向dsp發送對應的數據，實現對dsp的引導裝載，所選用的arm是philips的lpc2138。lpc2813是基于32b arm7的內核，內部擁有多達512k的高速flash和32k的靜態ram，其工作頻率可達60mhz，其i2c總線控制器支持i2c所有工作模式，這些在用于引導dsp時就不用使用端口來模擬i2c時序，使用十分方便，引導dsp時，只要arm按照對應的順序來發送數據，就能實現dsp的程序引導，使用arm引導時，只需將圖1中的scl和sda分別與arm的scl和sda連接即可。

bootloader使用i2c讀取數據時其時序如圖2所示。引導開始后，dsp首先會使用隨機讀取指令（random read command）從0x0000地址處讀取數據，該讀取指令由一個虛假的寫指令和當前地址讀取指令（current address read command）組成，arm正確響應該指令后，dsp便繼續采用當前地址讀取指令讀取剩余數據。

在lpc2138中，i2c總線有專門的控制器，并且每次接收到數據后對應的i2c狀態寄存器會以不同的代碼來表示當前i2c總線狀態，用戶可以根據不同的狀態來進行下一步的操作[3]，整個引導過程就是arm根據不同的總線狀態來發送或接收相應的數據，使用arm引導dsp程序加載時，arm作為從設備工作，在兩種工作模式之間切換，分別為從設備接收（slave receiver和從設備傳輸（slave transmitter）。

下面介紹arm端程序的運行狀況，程序中首先通過i2c地址寄存器（i2addr）將arm的從設備地址置為0x50，再利用i2c置位控制寄存器（i2conset）將其中的i2en和aa置1，這樣arm就工作在從設備模式，一旦i2c總線接收到有效數據，程序就進入到中斷服務程序中運行，用戶程序根據i2c狀態寄存器（i2stat）的值判斷當前狀態從而進入下一步操作，圖3為中斷服務程序工作流程。

圖3中state代表接收到數據后，i2c狀態寄存器中的值，不同的值代表總線上可能出現的各種狀態。0xa0代表程序收到的是start或是stop標志，返回主程序繼續等待中斷，0x60代表接收到自己的從設備地址和寫命令，并返回ack信號，count1代表收到的寫命令次數，由于整個引導過程中只能接收到一次寫命令，所以只要count大于1則接收出錯，需要重新啟動引導程序，利用arm控制dsp的復位信號重新開始引導過程，直至成功引導，0x80表示arm進入了從設備接收數據狀態，并且前邊已經收到了本機的設備地址，此次接收到了數據并返回ack信號，i2dat在從設備接收模式時存儲接收到的數據，發送模式時存儲待傳輸的數據，引導開始后，連續兩次接收的數據應該為0，若并不為0，表示引導程序出錯，需要復位dsp重新開始接收。

count為連續兩次接收數據0的計數器，一旦滿足條件，將發送緩沖區的首地址取出存儲在trans_addr中，0xa8代表接收到當前地址讀取命令，一旦接收到此命令，將待發送數據取出送入發送數據寄存器i2dat，以便下一次傳輸時將數據送出，0xc0表示數據發送成功，而且沒有收到ack信號，意味著當前地址讀取命令結束，此時將發送緩沖區地址加1，取出下一次待發送數據地址，這樣便完成了1個字節數據的發送，整個引導過程一直到dsp收到自舉表結束標志后停止，需要注意的是，i2c中斷標志位需要通過軟件清除，每次中斷返回時都必須用i2c清零控制寄存器（i2conclr）手動清除i2c控制寄存器中的中斷標志。

按照上述方法就完成了i2c引導裝載模式，用戶可以在程序中加入測試程序，通過控制gpio高低變化生成脈沖，利用示波器觀察從而判斷程序引導是否成功。

4 結語

本文提出的引導方式已經成功地應用于一款低功耗、小型戶數傳設備當中，免去了對外部存儲器的編程，特別有利于設備的升級和維護。