ADSP-TS101S的自動(dòng)引導方式分析與設計實(shí)現

摘    要：本文詳細分析了美國ADI公司最新推出的TigerSHARC系列數字信號處理器ADSP-TS101S的引導方式，并在最后給出了已成功實(shí)現的、基于該DSP處理器的某雷達信號處理機的自動(dòng)引導設計方案。
關(guān)鍵詞：ADSP-TS101S；引導方式；VisualDSP++；EPROM引導

ADSP-TS101S數字信號處理器簡(jiǎn)介
ADSP-TS101S數字信號處理器是美國ADI公司推出的TigerSHARC系列中一款具有極高性能的靜態(tài)超標量處理器，其專(zhuān)為大信號處理任務(wù)和通信應用進(jìn)行了結構上的優(yōu)化。該處理器具有非常寬的存儲器帶寬和雙運算模塊(支持32bit浮點(diǎn)和8、16、32、64bit定點(diǎn)處理)，其芯片內部的時(shí)鐘頻率最快可以達到300M。靜態(tài)超標量結構使ADSP-TS101S每周期能夠執行多達4條指令、24個(gè)16bit定點(diǎn)運算或6個(gè)浮點(diǎn)運算。芯片內部有三條相互獨立的128bit寬的數據總線(xiàn)，每條連接三個(gè)2M bit內部存儲器bank中的一個(gè)，總共提供了12Gbytes/s的內部存儲器帶寬。

自動(dòng)引導方式分析
ADSP-TS101S的引導方式由復位時(shí) 管腳的電平高低決定。在復位時(shí)，為輸入管腳，如果其電平為低，則設置為EPROM引導方式。對于這種方式，在信號無(wú)效后，信號就成為輸出信號，作為EPROM的片選信號；如果其為高，ADSP-TS101S將處于空閑(IDLE)狀態(tài)，等待外部主機或鏈路口來(lái)引導?？偟膩?lái)說(shuō)，ADSP-TS101S有四種引導方式，其詳細描述如下：
從EPROM引導：ADSP-TS101S被自動(dòng)配置為通過(guò)外部端口，利用DMA通道0，從片外8位EPROM裝載32bit的程序到片內存儲器的0x00~0xFF，并將byte型數據自動(dòng)打包成32bit指令，DMA傳送完成的中斷向量在復位后被初始化為0x00000000。EPROM存儲器空間沒(méi)有被映射到DSP的統一存儲空間，即引導完成后，就與整個(gè)系統無(wú)關(guān)。其尋址空間被限定為最大16Mbytes。
從外部主設備(主機或另一個(gè)ADSP-TS101S)引導：任何共享簇總線(xiàn)上的主設備都能夠通過(guò)外部端口，通過(guò)寫(xiě)它的內部存儲器或自動(dòng)DMA的方式引導ADSP-TS101S。
從鏈路口引導：ADSP-TS101S的四個(gè)接收鏈路的DMA在復位后均被自動(dòng)配置為接收32bit到內部存儲器的0x00~0xFF，相應的DMA傳送完成的中斷向量在復位后也被初始化為0x00000000。
無(wú)引導：ADSP-TS101S在復位后，自動(dòng)從存儲空間的某個(gè)地方開(kāi)始執行。這是通過(guò)在復位后使能中斷請求信號 來(lái)實(shí)現DSP啟動(dòng)的。

自動(dòng)引導的軟件設計
從軟件角度看，所謂復位引導從某種意義上說(shuō)就是在系統上電后，將生成的可執行文件的代碼和數據按照對系統存儲空間的分配裝載到指定的地方，并接著(zhù)依據規定的順序來(lái)執行程序。
自動(dòng)引導的軟件設計思路
為了設計這一軟件，首先必須了解ADSP-TS101S的軟件設計流程。其流程圖一般如圖1所示。
其中，鏈接描述文件(.LDF)定義了整個(gè)系統的存儲器配置和程序中數據及代碼的具體存放位置。加載核文件(.DXE)是指加載引導核程序，其大小為32bit，放在加載文件的起始部分，其功能是用來(lái)實(shí)現ADSP-TS101S的正確引導。在VisualDSP++安裝目錄的ldr子目錄下，ADI公司提供了標準加載核文件及相應的源程序(.ASM)和鏈接描述文件。一般可直接使用提供的標準加載核文件或對其相應的源程序進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，重新編譯鏈接生成所需的加載核文件。加載文件是由引導加載器(elfloader)將可執行文件進(jìn)行一定的格式變化，并在起始位置附加上加載核文件生成的。加載文件可以進(jìn)一步通過(guò)仿真器和JTAG口在線(xiàn)燒寫(xiě)到Flash存儲器中。加載文件被分成幾段，依據類(lèi)型不同可以分為：0-最終初始化段(Final Init)；1-非零初始化段(None-zero Init)；2-零初始化段(zero-Init)。另外ID號決定該段內容是哪一個(gè)處理器的，COUNT為該段內容以32bit字來(lái)計數的大小。
由于A(yíng)DSP－TS101S有三種引導方式(不考慮無(wú)引導方式)，ADI公司相應的提供了三種不同的加載核文件，分別為：TS101_prom.dxe、TS101_link.dxe、TS101_host.dxe。三個(gè)程序的核心思想和功能完全一致，只是由于使用的加載端口和方式的不同，在具體代碼實(shí)現上稍有差異。
綜合以上的分析可以看出：ADSP-TS101S的復位引導從本質(zhì)說(shuō)包括兩個(gè)方面：其一，在生成加載文件時(shí)，在起始部分額外增加256字的加載核文件；其二，在復位結束后，按照設定的引導方式不同，自動(dòng)從相應接口接收256字的代碼(實(shí)際就是加載核文件)到內部存儲空間的0x00~0xFF，并在完成這一接收過(guò)程后，從內部存儲空間的0x00000000開(kāi)始執行程序(實(shí)際就是執行加載核文件)，最終是由加載核文件來(lái)完成整個(gè)可執行程序的加載。需要注意的是，加載核文件并不會(huì )永遠占據內部存儲空間的0x00~0xFF，因為加載核文件執行到最后會(huì )自動(dòng)完成自身的覆蓋。
下面以EPROM引導為例，來(lái)簡(jiǎn)要分析標準加載核程序(TS101_ prom.dxe)是如何具體實(shí)現可執行程序的加載的。
標準EPROM引導加載核程序分析
如前所述，復位后ADSP-TS101S自動(dòng)從DMA通道0接收256字的內容到內部存儲空間，該傳送完成后，相應的中斷將把ADSP-TS101S從空閑狀態(tài)喚醒，接著(zhù)ADSP-TS101S從0x00000000開(kāi)始執行程序(即執行加載核程序)。在加載核程序中，DMA通道0被配置為從EPROM的地址0x0400 (0x0000~0x03FF為加載核程序，對應于A(yíng)DSP-TS101S內部存儲空間的256個(gè)字，向ADSP-TS101S的內部存儲空間加載程序。具體包括以下幾個(gè)步驟：
(1)從ADSP-TS101S的SYSTAT中獲得處理器的ID，并放到XR10寄存器中。
(2)首先，利用DMA通道0從EPROM的0x0400傳送8B的數據到ADSP-TS101S的內部存儲空間0x00000000~0x00000001，即Data header for processor 0，從中分析出該段程序的處理器ID，并與XR10進(jìn)行比較。若一致則轉入(3)，否則，跳過(guò)該段程序。
(3)分析該段程序的類(lèi)型和大小。依據不同的類(lèi)別分別將規定大小的代碼或數據加載到指定的地址。其中，“Final Init”段將把加載核程序占據的內存空間覆蓋掉。
(4)最終引導完成后，ADSP-TS101S的存儲空間內容與用鏈接描述文件對可執行文件內容的分配完全一樣，ADSP-TS101S從內部存儲空間0x00000000開(kāi)始執行程序。

某雷達信號處理機的復位引導設計方案
雖然ADI公司的ADSP-TS101S是性能較高的浮點(diǎn)信號處理器，其做1024點(diǎn)32bit浮點(diǎn)FFT(基2)僅需39.34ms(250M主頻)，但在設計某雷達信號處理機時(shí)，由于運算量巨大，經(jīng)過(guò)分析，設計了一個(gè)以3片ADSP-TS101S為核心的信號處理機。三片ADSP-TS101S的連接關(guān)系如圖2所示。
三片ADSP－TS101S要運行的程序最終放在一個(gè)Flash存儲器中，其中TS1和TS2的加載程序以數組形式放在TS3的程序中。TS3設計為EPROM引導方式，TS1和TS2設計為鏈路口引導方式。系統上電后，TS3從Flash加載程序，TS3加載完成后，再通過(guò)鏈路口加載TS1和TS2。加載完成后，三片ADSP-TS101S都正常執行各自的程序。
結合以上各部分的分析，可以看出要實(shí)現該信號處理機中三片ADSP-TS101S的正確引導，所需的工作由以下幾步組成：
(1)由第一片ADSP-TS101S要執行的程序(TS1.dxe)，結合鏈路口的加載核程序生成第一片ADSP-TS101S的加載文件(TS3_1.ldr)。需要注意的是：該鏈路口加載核程序不能直接使用提供的標準鏈路口加載程序，必須將提供的鏈路口加載核源程序(TS101_link.asm)中的LINK常數改為2(#define  LINK  2)，即第一片ADSP-TS101S由鏈路口2引導。
(2)與(1)類(lèi)似，生成第二片ADSP-TS101S的加載文件(TS3_2.ldr)，只是需要把鏈路口加載核源程序(TS101_ link.asm)中的LINK常數改為0(#define  LINK  0)，即第二片ADSP-TS101S由鏈路口0引導。
(3)將TS3_1.ldr和TS3_2.ldr以數組的形式放在TS3的源程序(TS3.asm)中，其形式如下所示：(.var  ts1[ ]={"ts1.ldr"};  .var  ts2[ ]={"ts2.ldr"};)，編譯鏈接生成TS3的可執行程序(TS3.dxe)，然后結合EPROM加載核程序生成第三片ADSP-TS101S的加載文件(TS3.ldr)。在此，可以使用ADI公司提供的標準EPROM加載核程序。另外，還需在TS3的源程序中(TS3.asm)開(kāi)頭加入對TS1和TS2的引導代碼，其核心就是分別通過(guò)TS3的鏈路口0和鏈路口1將數組ts1和ts2以DMA方式傳送給TS1和TS2。
(4)參考ADSP-TS101S開(kāi)發(fā)板的Flash燒寫(xiě)程序，設計燒寫(xiě)系統所用Flash的程序，然后通過(guò)JTAG口將TS3.ldr燒寫(xiě)到系統的Flash存儲器中，從而完成了整個(gè)過(guò)程。

結語(yǔ)
如果在系統中沒(méi)有使用SDRAM，則只需對ADI提供的標準加載核源程序進(jìn)行少量修改，重新編譯鏈接即可使用；如果系統中有SDRAM，則還需在標準加載核源程序的起始處加入對SDRAM的初始化程序。但總的看來(lái)，如果清楚了ADSP-TS101S的復位引導過(guò)程，用戶(hù)就可以在VisualDSP++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中輕松完成整個(gè)ADSP-TS101S的復位引導?！?br/>參考文獻
1 ADSP-TS101 TigerSHARC Processor Hardware Reference．Analog Devices, Inc
2 VisualDSP++ C/C++ Compiler and Library Manuals for TigerSHARC DSPs．Analog Devices, Inc
3 蘇濤，吳順君，寥曉裙. 高性能數字信號處理器與高速實(shí)時(shí)信號處理. 西安，西安電子科技大學(xué)出版社
4 ADSP-TS101 TigerSHARC Processor Boot Loader Kernel Operation. EE-174．Analog Devices, Inc