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鐵電存儲器FM18L08在DSP系統(tǒng)中的應(yīng)用

    [關(guān)鍵詞]  DSP；鐵電存儲器；并行引導(dǎo)裝載模式

    1 引  言

     鐵電存儲器（FRAM）是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器，它結(jié)合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM克服了EEPROM和FLASH寫入時間長、擦寫次數(shù)低的缺點，其價格又比相同容量的不揮發(fā)鋰電SRAM低很多，已在地鐵系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)及IT工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

    TMS320VC5402（以下簡稱C5402）是美國德州儀器公司（TI）推出的一款性價比極高的16bit定點數(shù)字信號處理器（DSP），操作速率可達(dá)100MIPS，它豐富的內(nèi)部資源配置為用戶構(gòu)造系統(tǒng)提供了很大便利，已經(jīng)在通信、電子、圖象處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，C5402是RAM型器件，掉電后不能保持任何用戶信息，所以需要用戶把程序代碼放在不揮發(fā)的存儲器內(nèi)，在系統(tǒng)上電時，通過執(zhí)行自行引導(dǎo)裝載（Bootloader）程序?qū)⒋鎯υ谕獠棵浇橹械拇�碼裝載到C5402高速的片內(nèi)存儲器或系統(tǒng)中的擴(kuò)展存儲器內(nèi)，裝載成功后自動去執(zhí)行代碼，完成自啟動。
 基于實踐經(jīng)驗，本文介紹了一種并行接口鐵電存儲器FM18L08的特點，同時還分析了C5402 并行引導(dǎo)裝載模式的特點，給出了一種基于鐵電存儲器FM18L08和C5402接口的設(shè)計方案, 實現(xiàn)了基于并行引導(dǎo)裝載模式的DSP脫機(jī)獨立運行系統(tǒng)設(shè)計，并且該設(shè)計方案已成功的應(yīng)用到一種語音門鎖系統(tǒng)中。

    2  FM18L08  FRAM的特點

     Ramtron’s   FRAM存儲器技術(shù)的核心是微小的鐵電晶體集成到記憶體單元，以至于它能象快速的不揮發(fā)RAM一樣操作。 當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體，中心原子順著電場的方向移動。 移去電場，中心原子保持不動，保存記憶體的狀態(tài)， FRAM 記憶體不需要定期刷新，掉電后立即保存數(shù)據(jù)。

    FM18L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為32k╳8bits  FRAM，其主要特點如下：3.0-3.65V單電源供電；并行接口；提供SOIC和DIP兩種封裝；功耗低，靜態(tài)電流小于15uA，讀寫電流小于10mA；非揮發(fā)性，掉電后數(shù)據(jù)能保存10年；讀寫無限次。

    FM18L08引腳結(jié)構(gòu)如圖1：
    /CE：片選
    /WE：寫使能
    /OE：輸出使能
    A0-A14：地址端
    DQ0-DQ7：數(shù)據(jù)端
    VDD：電源
    VSS：地

3 C5402并行引導(dǎo)裝載模式設(shè)計

3.1 C5402系統(tǒng)的程序引導(dǎo)裝載模式類型：

    C5402提供以下幾種引導(dǎo)裝載模式類型：

①     HPI（主機(jī)接口）引導(dǎo)裝載模式

欲執(zhí)行的程序代碼通過主機(jī)接口總線由外部處理器加載至DSP片內(nèi)存儲器中。當(dāng)外部處理器將被加載代碼的起始地址（C5402片內(nèi)地址007FH）的內(nèi)容改變，便開始執(zhí)行引導(dǎo)裝載程序。

②     8位/16位并行引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過外部并行接口總線讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。外部數(shù)據(jù)單元中的數(shù)據(jù)是按照一定格式存儲的，其信息包括：欲加載的各段程序代碼、各段程序代碼長度、各段程序代碼存放的目標(biāo)地址、程序代碼的入口地址以及其他配置信息。

③     8位/16位標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)模式的多通道緩沖串口（McBSP）讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。多通道緩沖串口1（McBSP1）支持8位串行接收方式，多通道緩沖串口0（McBSP0）支持16位串行接收方式。

④ 8位串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過一串聯(lián)的EEPROM讀取存放在外部數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)。在此種方式中，EEPROM與設(shè)置為SPI工作模式的McBSP1相連接。

⑤I/O引導(dǎo)裝載模式

引導(dǎo)裝載程序通過外部并行接口總線地址為00H的I/O口讀取數(shù)據(jù)。該外部并口接口總線使用異步握手協(xié)議（使用C5402的XF和BIO引腳），使數(shù)據(jù)傳輸速度可按外部存儲器設(shè)備的要求執(zhí)行。

3.2 C5402并行引導(dǎo)裝載模式設(shè)計

   當(dāng)C5402工作在微計算機(jī)模式(MP/MC=0)時,上電后自動運行Bootloader程序，按照HPI引導(dǎo)裝載模式      串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式     并行引導(dǎo)裝載模式      標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式

      I/O口引導(dǎo)裝載模式的順序循環(huán)檢測，以決定執(zhí)行哪種啟動模式。

       對于以C5402為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)來說，并行引導(dǎo)裝載模式被認(rèn)為是最適用的。因為HPI引導(dǎo)裝載模式、標(biāo)準(zhǔn)串行口引導(dǎo)裝載模式和I/O口引導(dǎo)裝載模式只適用于由其它處理器為C5402提供運行代碼的多處理器系統(tǒng)中，串行EEPROM引導(dǎo)裝載模式只支持價格偏高的SPI端口EEPROM，而并行引導(dǎo)裝載模式可采用的并行EEPROM和Flash種類很多，有的價格比較低，操作起來比較簡單，因而并行引導(dǎo)加載方案是最佳選擇。

為使C5402能有效地把外擴(kuò)FRAM中的程序引導(dǎo)到芯片內(nèi)RAM，需要編制一個引導(dǎo)表。引導(dǎo)表定位于數(shù)據(jù)空間的4000h～FFFFh段，引導(dǎo)表的內(nèi)容包含如下幾個方面：（1）引導(dǎo)方式的標(biāo)識；（2）程序存放的目標(biāo)首地址；（3）程序執(zhí)行的入口址址；（4）用戶程序代碼；（5）用戶程序塊長度。引導(dǎo)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

數(shù)據(jù)區(qū)地址（H）	內(nèi)容（H）	含義
8000，8001 8002，8003 8004，8005 8006，8007 8008，8009 800A，800B 800C，800D 800E，800F 8010，8011 8012，8013 …… 8030，8053 8054，8055 …… FFFE，FFFF	08，AA 7F，FF 88，06 00，00 00，80 00，44 00，00 00，80 F6，BD F0，70 …… F4，95 00，00 …… 80，00	8位引導(dǎo)標(biāo)志 SWWSR寄存器初值BSCR寄存器初值 程序入口XPC 程序入口地址 程序段長度 程序存放目標(biāo)XPC 程序存放目標(biāo)地址 程序代碼1 程序代碼2 …… 程序代碼N 程序塊結(jié)束標(biāo)志 …… 程序存儲首地址

表1并行引導(dǎo)裝載模式引導(dǎo)表

片內(nèi)ROM的引導(dǎo)程序首先讀取I/O空間的FFFFh地址內(nèi)容（指定為8000h）作為引導(dǎo)表的起始地址，通過判別引導(dǎo)表起始地址內(nèi)的引導(dǎo)標(biāo)識來確定是8位并行還是16位并行引導(dǎo)方式。若引導(dǎo)標(biāo)識是10AAh，則是16位的并行引導(dǎo)方式；若引導(dǎo)標(biāo)識是08AAh，則是8位的并行引導(dǎo)方式。當(dāng)從I/O空間FFFFh地址讀取不到有效的引導(dǎo)標(biāo)識時，片內(nèi)ROM的引導(dǎo)程序即讀取數(shù)據(jù)空間FFFFh的內(nèi)容作為引導(dǎo)表的起始地址。同樣通過判別引導(dǎo)表起始地址內(nèi)的引導(dǎo)標(biāo)識來確定是8位并行還是16位并行引導(dǎo)方式。當(dāng)EPROM數(shù)據(jù)位寬是8bit時，則要讀取數(shù)據(jù)空間FFFFh地址的內(nèi)容（低字節(jié)）和FFFEh地址的內(nèi)容（高字節(jié)）作為引導(dǎo)表的起始地址。

8bit 并行引導(dǎo)裝載的實現(xiàn)電路如圖1所示。其中A15經(jīng)過非門與/MSTRB相或是為了防止C5402的內(nèi)部16K DARAM（0000H-3FFFH）與外部FRAM沖突，同時，對應(yīng)上并行引導(dǎo)裝載模式的引導(dǎo)表設(shè)置相對應(yīng)。

 圖1 硬件系統(tǒng)原理圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

這個系統(tǒng)中，軟件編程的核心在于按照特定的格式將數(shù)據(jù)寫到FM18L08 FRAM中，下面具體介紹軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法。

在TI公司的軟件開發(fā)工具CCS（Code Composer Studio）中，匯編器和連接器創(chuàng)建的目標(biāo)文件采用COFF（Common Object File Format）格式，代碼和數(shù)據(jù)都按段（Section）來組織設(shè)計。先通過CCS將程序下載到硬件系統(tǒng)的C5402的片內(nèi)DARAM中，再運行程序?qū)⑺�需�?shù)據(jù)及程序按照表1的格式寫到FM18L08 FRAM（對應(yīng)于DSP數(shù)據(jù)尋址的08000h—0FFFFh）中，斷開硬件系統(tǒng)與CCS環(huán)境的聯(lián)系，重新上電或復(fù)位C5402，將看到燈在閃爍，此時硬件系統(tǒng)已經(jīng)可以脫機(jī)獨立運行了。

.mmregs
  .data
table:.word 08aah   ；16位引導(dǎo)標(biāo)志
.word 7fffh,8806h  ；SWWSR寄存器初值和BSCR寄存器初值
  .word 0000h,080h,00044h ；程序入口XPC、程序入口地址和程序段長度
  .word 0000h,080h  ；存放目標(biāo)XPC和存放目標(biāo)地址
  .global  main
  .text
main:
  stm #07fh,sp
  stm #0fffeh,ar1  ；向FRAM的07FFEh單元寫入80h
  st #080h,*ar1+
  nop
  st   #00h,*ar1   ；向FRAM的07FFFh單元寫入00h
  nop
  stm #table,ar1   ；向FRAM的0000h開始單元依次寫入引導(dǎo)表要求的內(nèi)容
  stm #07h,brc
  stm #8000h,ar2
  rptb loopa
  ld *ar1+,a
  nop
  stl  a,*ar2+
  ld a,-8,a
  stl  a,*ar2+
loopa:  nop
  nop
  stm #start,ar1   ；向FRAM中寫入運行程序代碼
  stm #21h,brc
  nop
  ld *ar1+,a
  stl  a,*ar2+
  ld a,-8,a
  stl  a,*ar2+
loopb: nop
  nop
  ld  #00h,a
  nop
  stl  a,*ar2+
  stl  a,*ar2
 b $
.sect "chengxu"   ；脫機(jī)獨立運行系統(tǒng)程序
start:  rsbx xf      ；燈亮
  ……   
  ssbx xf       ；燈滅
   ……
  b start 
  ret       
  .end

主程序中，data段為上電引導(dǎo)程序提供了需要加載的各代碼段的長度、源地址和目的地址這幾個參數(shù)。其中，代碼段長度既可以根據(jù)載入DSP系統(tǒng)后在CCS反匯編窗口算得，也可以從連接生成的映像文件（后綴為.map）中得到。

5 結(jié)束語

本文介紹的基于鐵電存儲器FM18L08的DSP 并行引導(dǎo)裝載方案，可以在無需專用燒寫器的情況下，實現(xiàn)DSP脫機(jī)獨立運行系統(tǒng)的設(shè)計，并且該方案已成功的應(yīng)用到一種語音門鎖系統(tǒng)中。實驗結(jié)果表明，該方法具有簡化接口電路、節(jié)省系統(tǒng)資源、性價比高的優(yōu)點。

但是，如果脫機(jī)獨立運行系統(tǒng)程序超過了64K字節(jié)，只能采用另外的替代方法，這是在一些電路設(shè)計方案論證時需要考慮的問題。