2018年03月01日 | 基于AVR和TMS320VC5402的HPI接口通信设计

    1.前 言

    TMS320VC5402（简称VC5402）是TI公司的DSP处理器，具有高级的数据处理结构和丰富的片内资源。但是VC5402 DSP内部不具有可编程的非易失片内存储器，所以为了保存程序代码和参数表，一般情况下要外扩一片存储器。VC5402可用的通用输入输出口（I/O port）少，软件上对I/O口的控制不灵活，没有对I/O口按位控制的指令，且具有流水线延迟。多不具有通用的通信接口如UART接口，CAN总线接口等，对控制的支持功能较少。AVR（Advanced RISC Architecture）单片机是ATMEL公司的flash型单片机，广泛应用于数据处理和控制领域，具有丰富的片内资源和灵活的接口形式。片内往往集成了几十kB乃至几百kB的flash存储器，每个端口几乎都可以通过软件设置为通用的I/O口和具有特殊功能的端口。将AVR单片机和VC5402处理器相结合，发挥各自的优点将是一个很好的设计方案。本文详细描述了AVR型单片机ATMEL64L和VC5402的HPI接口的硬件设计原理和软件设计构架，同时详细阐述了VC5402 HPI形式的bootloader方法及AVR实现方法。

    2.  硬件设计原理

    2.1. VC5402的HPI接口

    VC5402的HPI接口是一个增强版的8位并行的HPI接口简称为HPI-8[1]。在 HPI-8接口中VC5402是从机。主机可以访问VC5402中位于0x60～0x3FFF存储器空间的片内存储器，这一区域是VC5402用户可用的所有的片内存储器资源。主机通过两个寄存器：地址寄存器（HPIA）和数据寄存器（HPID）访问VC5402内部的存储器。还有一个控制寄存器（HPIC）包含有控制和状态信息。HCNTL[0..1]是HPIA、HPID和HPIC的选址信号。同时，VC5402对 HCNTL[0..1]＝“01”设置了特殊的访问模式以加快主机访问片内存储器的速度。此时主机读写HPID的内容不用每次设置HPIA，当主机读 HPID时VC5402将当前HPIA所指出的片内存储器的数据传送到HPID寄存器，同时HPIA的内容减1，当主机写HPID时DSP先将当前 HPIA的内容加1，然后由此时HPIA所指出的片内存储器的数据传送到HPID寄存器。由此可见此种方式比较适合于主机访问DSP内部的连续存储器空间。由于DSP内部是按着16位的数据进行组织，所以主机通过8位的HPI口进行读写操作都必须由两次操作组成，在两次操作中由HBIL信号标明高低位字节。

    2.2. ATMEL64L简介

    AVR单片机是ATMEL公司的8位高性能的低功耗微控制器。具有高级的精简指令集结构，绝大多数指令都是单周期指令，执行速度快。ATMEL64L是 Atmega103的升级版，具有64k字节在线可编程的flash存储器，可用于存储程序和固定的数据。具有2k字节的EEPROM，位于数据区，可用于保存参数表。具有4k字节的SRAM，为动态数据结构的存储建立了可能。丰富的指令集、大容量而多样的存储器结构增加了ATMEL64L程序设计的灵活性。另外ATMEL64L还具有丰富的片内外设，诸如：USART、SPI、定时器/计数器、PWM通道、在片的模拟比较器等，提供了丰富的通信及控制资源。

    2.3. 硬件设计实现

    ATMEL64L和TMS320VC5402的HPI-8接口的硬件设计关键在于实现HPI-8接口的逻辑时序。我们研究ATMEL64L外部数据空间的读写时序[2]和HPI-8接口时序[1]发现：AVR的ALE信号在下降沿锁存低8位地址信号（DA7:0），而HAS信号也是在下降沿锁存HCNTL[0..1]、HBIL和HRW信号。在 AVR的WR信号的上升沿数据总线上的数据DA7:0已处于有效状态，在RD信号的上升沿来临时数据总线的数据DA7:0必须处于有效状态，同时HPI- 8的两个数据存储信号HDS1和HDS2均是在上升沿将相应的寄存器内容设置到HD[7..0]上或是将HD[7..0]的数据锁存到相应的寄存器。由此可见HPI-8的重要控制线均可以和AVR相应的控制线直接相连而不需要其他逻辑电路。设计的电路原理图见图1。

              图1 电路原理图

    当DSP退出复位状态后，30个有效时钟周期内触发了一个有效的DSP中断2，则DSP将仅进入HPI的 bootloader加载方式。原理图中将HINT引脚和DSP INT2引脚直接相连就是为了DSP复位后实时的触发DSP INT2中断。VC5402通过ATMEL64L的INT2中断申请加载DSP程序

    3.HPI bootloader方式的实现

    3.1. DSP bootloader方式简介

    DSP的bootloader模式就是将DSP的程序代码和参数表由存储位置移动到运行位置。之所以采用这一方式主要出于以下几方面的考虑：

    1．DSP系统的运行速度很快，如果程序代码存储在访问速度较慢的非易失存储器，将严重影响数据处理的速度。为提高效率有必要将程序代码移动到快速的存储空间[3]。

    2．将程序代码存储位置和运行位置分开将有利于软件的在线升级。

    VC5402的片内ROM存储器0xF800～0xFBFF中有TI公司固化的bootloader程序[3][4]。当VC5402处于微计算机模式时，其复位后首先执行bootloader程序。Bootloader程序依次扫描各种加载方式，当某一种方式满足时，程序停止扫描，开始以此种方式加载DSP程序。这里我只介绍HPI方式的bootloader,其他方式的bootloader加载方法请参考[5-7]。当DSP查询到有INT2中断发生时就进入HPI方式的bootloader，清零0x007F存储器单元，设置HINT信号向主机发送中断请求。查询 0x007F单元的内容是否为零，当不为零时表明DSP程序加载完毕。将0x007F单元的内容作为程序的入口地址开始执行加载的DSP程序。

    3.2.HPI bootloader方式的软件实现框架

    通过CCS将DSP源程序编译连接成COFF文件格式得到.out文件。然后，由.out文件获得DSP代码的二进制文件。在AVR的C语言编辑环境ICCAVR V6.30C中采用下述方法将DSP的代码数据配置到AVR flash空间。要注意const关键字使用。

    /* dsp vector section data. start address = 0x1000, length = 0x78 */

    const unsigned int vector[120]={0xF073,0x3000,…,0xF495};

    当DSP进入HPI Bootloader方式时，AVR的外部中断2产生。AVR响应外部中断2传输完相应的数据段到DSP对应的片内存储器后要撤销DSP的中断申请。软件框架如下：

    #pragma interrupt_handler int2_isr:4

    void int2_isr(void)

    {

    unsigned int number;

    HPIAL = 0x0f;

    HPIAH = 0xff;

    for(number=0;number<120;number++)    /* 传送vector数据段 */

    {

    AUTOWL = vector[number]>>8;

    AUTOWH = vector[number];

    }

    ……                                      /* 传送其他数据段 */

    HPIAL = 0x00;                          /* 设置DSP程序入口地址 */

    HPIAH = 0x7f;

    WRITEL = 0x30;

    WRITEH = 0x00;

    while(((PIND & 0x04)==0x00))        /* 撤销DSP的中断申请 */

    {

    HPICL = 0x0;

    HPICH = 0x8;

    }

    }

    4. 通信软件设计框架

    4.1. 主控器AVR命令的发布

    AVR是主控器，DSP是从机。AVR和DSP之间通过DSP内部存储器的命令缓冲区和响应标识缓冲区交换信息。AVR触发DSP的HPI中断通知DSP 有新的命令，DSP通过向响应标识缓冲区写入不同的内容向AVR表明DSP所处的状态。AVR通过查询的方式确定DSP的处理状态。

    AVR发布命令的程序框架：

    HPIAL = 0x00;

    HPIAH = 0x60;

    WRITEL = orderhighbyte;

    WRITEH = orderlowbyte;  /* 向命令缓冲区0x60写入命令*/

    HPIAL = 0x00;

    HPIAH = 0x61;

    WRITEL = orderhighparameter;

    WRITEH = orderlowparameter; /*向命令缓冲区0x61写入命令参数*/

    HPICL = 0x0;                   /*触发DSP中断*/

    HPICH = 0x4;

    dsphpidata = 0x00;

    HPIAL = 0x00;

    HPIAH = 0x62;

    while((dsphpidata != 0xaa)) /*判断响应标识区0x62内容是否为0xaaaa*/

    {

    dsphpidata = READL;

    dsphpidata = READH;

    }

    ……

    4.2. DSP对主控器命令的执行

    AVR发给DSP的命令由DSP在HPI中断中处理。DSP需要设置命令和响应缓冲区、处理响应的命令和设置响应标志等工作。软件设计框架如下：

    interrupt void HPINT_isr(void);

    #pragma DATA_SECTION(orderbuffer,"order_sec")   /* 设置命令和响应缓冲区 */

    volatile unsigned int orderbuffer[8];

    ……

    interrupt void HPINT_isr(void)

    {

    switch(order[0])

    {

    case order1：              /* 处理命令1 */

    ……

    orderbuffer[2] = 0xaaaa;     /* 处理完命令1，设置响应标志 */

    break；

    ……

    }

    }

    5. 结论

    1）  本文详细分析了AVR和TMS320VC5402 HPI接口通信软硬件设计，给出了硬件设计原理图和软件设计框架。实际测试表明该系统设计方案运行可靠。

    2）  利用AVR控制功能强、集成flash存储器和DSP运算功能强、程序代码配置灵活的特点，形成AVR和DSP之间优势互补，是一个可以选择的合理的系统设计方案。

    3）  有些DSP芯片内部集成的bootloader程序通过HPI口只能配置内部存储器，对于DSP程序比较大的系统仅仅利用集成的bootloader程序不能完成全部加载工作。此时用户可以自行设计一个bootloader程序，将大的DSP程序加载到外部存储器空间。

    6.参考文献

    [1] Texas Instruments Inc. TMS320C54x DSP Reference Set Volume 5: Enhanced Peripherals. P182～287

    [2] Atmel Incorporation. ATMEL64/ATMEL64L preliminary.

    [3] Texas Instruments. TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader.

    [4] Texas Instruments. TMS320VC5402 FIXED POINT DIGITAL SIGNAL PROCESSOR data sheet.

    [5] Texas Instruments. A PractICal Application of the TMS320C54x Host Port Interface（HPI）.

    [6] 李忠,李峰. DSP编程的几个关键问题. 电子技术应用, 2003,1:15-17.

    [7] 香勇,施克仁. TMS320C54x的加载引导. 国外电子元器件, 2003,3:4-7.