I2C总线实现TMS320VC5509A引导装载设计

1 引言

dsp芯片的bootloader程序用于上电时将用户程序从外部非易失性、慢速存储器或外部控制器中装载到片内高速ram中，保证用户程序在dsp内部高速运行，ti公司的c55x系列dsp芯片提供多种装载模式，主要包括hpi引导装载、串行e2rom引导装载、并行引导装载、串行口引导装载、i2c总线e2rom引导装载等，通常使用的是并行引导装载模式，该方式引导速度快实现简单，但是体积和功耗也较大，随着串行接口存储设备容量的提高，串行引导方式体积小、功耗低的优势便显现出来了，所以使用arm的串行接口对dsp进行引导装载，不仅能省去存储芯片，而且利用arm的isp功能，可以根据需要改变用户程序，有利于系统的维护和升级。

本文以tms320vc5509a芯片引导装载为例，详细介绍了利用arm通过i2c串行引导方式来实现程序的引导装载，其他引导过程可参考相关技术资料[1]。

tms320vc5509a是ti公司一款16位定点低功耗dsp芯片，其指令周期最快为5ns，片内拥有128×16k高速ram，性价比很高，被广泛用于嵌入式手持设备、通信、数据采集等领域。

ti公司的dsp芯片出厂时，在片内rom中固化有引导装载程序（bootloader），其主要功能就是将外部的程序装载到片内ram中运行，以提高系统的运行速度，c55x系列dsp其bootloader程序位于片内rom空间的0xff0000-0xff8000处，进入bootloader程序后，程序先对dsp进行初始化，配置dsp的堆栈寄存器、中断寄存器和dsp状态寄存器，保证在引导装载用户程序时不会被中断，从而引导程序加载失败。

由于dsp可以通过自举表对寄存器进行修改，需要注意在bootloader程序运行时，尽量不要修改bootloader程序配置过的中断控制寄存器，否则会导致不可预料的后果。

2.1 i2c引导模式硬件连接

为了通过i2c总线来实现对dsp引导装载，通常情况是选择具有i2c总线接口的e2rom，电路框图如图1所示，其中gpio0-gpio3是用来选择bootloader引导模式，当dsp复位后对这4个管脚电平采样，根据不同的组合进入到对应的bootloader程序，表1列出了gpio0-gpio3的管脚不同状态的组合以及对应的bootloader引导方式。sdl和sda分别为i2c的时钟和数据线，其上拉电阻的大小取决于所连接i2c设备的多少[2]。

如果通过i2c总线对dsp实现引导装载，对存储数据的i2c设备有如果几点要求：

（1）该设备首先必须兼容philips的i2c总线规范v2.1，工作在从设备模式，并且其从设备地址为0x50。

（2）设备内部使用两个字节寻址，即在接收到主机写命令后，其后接收到的数据是16位的地址数据。

（3）对设备读取时，相关设备必须支持自动寻址增量，即每读一次，其内部地址指针自增1，保证程序按顺序读出。

常用的i2c接口e2rom有st公司的m24系列及philips的pcf85系列的e2rom，根据程序大小选择相应的芯片，需要注意的是i2c引导模式最多支持64kb的数据。

在i2c引导模式运行时，dsp作为主设备来控制i2c总线的时钟，对于dsp来说，scl必须满足根据方程（1）所得到的速率，而i2c引导模式支持的最高时钟速率为400khz，所以如果想利用i2c引导模式，dsp上电时输入时钟就不能大于12mhz。

scl（高）=scl（低）
=15×（dsp输入时钟周期） （1）

2.2 i2c引导模式数据存储方式

为了能正确地将数据从外部存储器搬移至dsp内部，用户程序需要将数据按照一定格式存储在e2rom中，按照这些格式存储的数据便是自举表（boot table），自举表是bootloader程序能正常运行的保证，只有将数据按照自举表的要求存储，用户程序才能被搬移到dsp内部正常运行，在自举表中除了用户数据外还需要一些bootloader控制数据，如程序入口地址（entry point address）、寄存器配置（register configurations）和可编程延迟（programmable delay）等，自举表的结构如图2所示。

其中程序入口地址在将用户程序搬移至dsp内部后，用户程序从该地址处开始运行，通常情况是中断向量表的reset处，在bootloader搬移数据之前，如果需要可以改变某些寄存器的值，如dsp的clock配置寄存器、emif配置等，通过自举表配置这些寄存器后，需要一定时间才能正常工作，否则会导致引导程序失败。延迟计数器是让bootloader推迟相应的cpu周期再进行数据搬移，确保引导程序正常工作，由于dsp是采用分段格式来组织数据的，如代码段、数据段和用户自定义数据段等，所以生成的自举表也是按照对应格式来建立的分段存储，这样有利于程序维护，实现模块化设计。

在自举表的最后，是连续的4个字节的全零数据，其目的是为了告诉dsp程序引导完成，可以传至程序入口执行，同时dsp也发出指示给外部存储设备告知引导结束，在i2c模式中，作为主机接收设备的dsp信号将会在接收到结束标志后在数据总线上给出停止标志，用来结束数据传输。

要建立自举表，可以利用ti提供的hex转换程序（hex55.exe），将生成的连接文件转换成用于存储器的数据格式[1]。首先，需要建立一个cmd（链接命令文件linker command file）文件，输入需要的链接选项，hex55利用该文件提供的各种选项来转换文件，下面是一个为i2c引导方式建立的cmd文件和其选项以及具体含义：

通常情况下还需定义采用某种方式如-serial8、-parallel16等选项，表示采用何种boot方式从而生成对应的存储格式，由于采用了i2c模式来引导，所以这些选项可以不使用，另外还可以使用-reg_config和-delay选项，分别来设置需要改变的寄存器值以及需要延迟的cpu周期数，最后需要注意的是hex55程序要使用v2.1及后续版本，早期版本生成的自举表不能正确引导程序。

3 arm端设计

上面介绍了利用i2c接口的e2rom来实现引导装载的硬件连接和需要的数据存储形式，实际利用arm自身的i2c控制器，将自举表存储在arm的flash中，并且让arm按照i2c引导模式中e2rom的时序向dsp发送对应的数据，实现对dsp的引导装载，所选用的arm是philips的lpc2138。lpc2813是基于32b arm7的内核，内部拥有多达512k的高速flash和32k的静态ram，其工作频率可达60mhz，其i2c总线控制器支持i2c所有工作模式，这些在用于引导dsp时就不用使用端口来模拟i2c时序，使用十分方便，引导dsp时，只要arm按照对应的顺序来发送数据，就能实现dsp的程序引导，使用arm引导时，只需将图1中的scl和sda分别与arm的scl和sda连接即可。

bootloader使用i2c读取数据时其时序如图2所示。引导开始后，dsp首先会使用随机读取指令（random read command）从0x0000地址处读取数据，该读取指令由一个虚假的写指令和当前地址读取指令（current address read command）组成，arm正确响应该指令后，dsp便继续采用当前地址读取指令读取剩余数据。

在lpc2138中，i2c总线有专门的控制器，并且每次接收到数据后对应的i2c状态寄存器会以不同的代码来表示当前i2c总线状态，用户可以根据不同的状态来进行下一步的操作[3]，整个引导过程就是arm根据不同的总线状态来发送或接收相应的数据，使用arm引导dsp程序加载时，arm作为从设备工作，在两种工作模式之间切换，分别为从设备接收（slave receiver和从设备传输（slave transmitter）。

下面介绍arm端程序的运行状况，程序中首先通过i2c地址寄存器（i2addr）将arm的从设备地址置为0x50，再利用i2c置位控制寄存器（i2conset）将其中的i2en和aa置1，这样arm就工作在从设备模式，一旦i2c总线接收到有效数据，程序就进入到中断服务程序中运行，用户程序根据i2c状态寄存器（i2stat）的值判断当前状态从而进入下一步操作，图3为中断服务程序工作流程。

图3中state代表接收到数据后，i2c状态寄存器中的值，不同的值代表总线上可能出现的各种状态。0xa0代表程序收到的是start或是stop标志，返回主程序继续等待中断，0x60代表接收到自己的从设备地址和写命令，并返回ack信号，count1代表收到的写命令次数，由于整个引导过程中只能接收到一次写命令，所以只要count大于1则接收出错，需要重新启动引导程序，利用arm控制dsp的复位信号重新开始引导过程，直至成功引导，0x80表示arm进入了从设备接收数据状态，并且前边已经收到了本机的设备地址，此次接收到了数据并返回ack信号，i2dat在从设备接收模式时存储接收到的数据，发送模式时存储待传输的数据，引导开始后，连续两次接收的数据应该为0，若并不为0，表示引导程序出错，需要复位dsp重新开始接收。

count为连续两次接收数据0的计数器，一旦满足条件，将发送缓冲区的首地址取出存储在trans_addr中，0xa8代表接收到当前地址读取命令，一旦接收到此命令，将待发送数据取出送入发送数据寄存器i2dat，以便下一次传输时将数据送出，0xc0表示数据发送成功，而且没有收到ack信号，意味着当前地址读取命令结束，此时将发送缓冲区地址加1，取出下一次待发送数据地址，这样便完成了1个字节数据的发送，整个引导过程一直到dsp收到自举表结束标志后停止，需要注意的是，i2c中断标志位需要通过软件清除，每次中断返回时都必须用i2c清零控制寄存器（i2conclr）手动清除i2c控制寄存器中的中断标志。

按照上述方法就完成了i2c引导装载模式，用户可以在程序中加入测试程序，通过控制gpio高低变化生成脉冲，利用示波器观察从而判断程序引导是否成功。

4 结语

本文提出的引导方式已经成功地应用于一款低功耗、小型户数传设备当中，免去了对外部存储器的编程，特别有利于设备的升级和维护。