ARM CPU S3C44B0X与C54X DSP的接口设计

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ARM CPU S3C44B0X与C54X DSP的接口设计

摘要：以SAMSUNG公司的ARM SOC芯片S3C44B0X和TI公司的TMS320C5416 DSP为例，讲述了ARM与DSP的数据接口技术，并结出了硬件连接图和软件代码。    关键词：ARM S3C44B0X 主机接口（HPI） TMS320C5416
后PC时代，嵌入式产品逐渐占领市场。而这些嵌入式产品的核心——处理器决定了产品的市场和性能。高性能、低功耗、低成本是嵌入式处理器的主要特点。在32位嵌入式处理器市场中，ARM占有78.6%的份额。而TI而占有DSP市场的绝大部分份额。通常的嵌入式系统设计中，由微控制器实现整个系统的控制，由DSP来执行计算密集型操作，然后通过一定的手段实现微控制器与DSP之间的通信和数据交换。因此，如何高效地设计控制器（ARM）与DSP之间的接口以满足嵌入式系统的实时性要求，在嵌入式系统设计中显得尤为重要。
1 ARM CPU S3C44B0X的特点
ARM是一款32位的精简指令集（RISC）处理器架构，以其高性能、低功耗、低成本占有市场。由于ARM公司采用IP授权的方式经营，全球几乎所有的大半导体公司都有基于ARM的SOC芯片。

    S3C44B0X是SAMSUNG（三星）公司一款基于ARM7TDMI的SOC芯片。它一方面具有ARM处理器的所有优点：低功耗、高性能；同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。其特点如下：
·采用ARM7TDMI内核，I/O电压3.3V，内核电压2.5V；
·内置锁相环（PLL），系统主频最高达66MHz；
·4种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗；
·8KB的系统高速缓存（CACHE），极大地提高了系统运行速度；
·支持8个MEMORY BANK，最大外部存储空间达256MB，并支持SDRAM；
·内置彩色LCD控制器；
·2路异步串口（UART）；
·71个通用I/O口；
·8通路模/数转换器（ADC）；
·实时时钟（RTC）和看门狗电路（WATCHDOG）。
2 C54X DSP及其HPI接口
2.1 C54X DSP的特点
以高速、低功耗为特征的C54X系列DSP采用先进的改进型哈佛结构，具有分离的数据总线和程序总线，片内集成了ROM、RAM和多个外设，如通用I/O口、定时器、时钟发生器、软件可编程等待状态发生器、可编程块切换逻辑、串行口、直接存储器存取控制器（DMA）和与外部处理器通信用的主机接口（HPI）。
2.2 C54X的主机接口（HPI）
C54X中的主机接口（HPI）主要有三种：标准8位HPI8接口、增强型8位HPI8接口和16位HPI16接口。其中C542～C549内含标准型HPI8；C5402、C5410内含增强型HPI8；C5410以上为HPI16；C5409、C5416的HPI可以由用户设置为增强型HPI8或HPI16。增强型比标准型更优越之处主要在于：增强型允许主机访问DSP内部的所有片内RAM，而标准只能访问RAM区中指定的2K字。
以TMS320C5416（简称C5416）包含的增强型HPI8接口为例，它与外部主机或微处理器的连接具有单独的8根数据线HD0～HD7和10根控制器。主机主动通过HPI口访问DSP的内部RAM以及其它资源。除了对主机发中断（通过置HPIC寄存器的HINT位，可以使HINT线有效）或清除主机发来的中断（通过清HPIC寄存器的DSPINT标志）需要DSP干涉外，C5416几乎不用进行其他操作，片内的DMA通道会自动辅助完成RAM区与HPI数据寄存器的数据传输。主机由HCNTL0/1线来选择HPI的某个控制寄存器，如表1所列。通过对这4个寄存器的访问，就可以在所设安全机制的允许范围下读/写DSP的所有或部分片内RAM。

表1 HCNTL0/1的选择功能描述

HCNTL1	HCNTL0	说        明
0	0	主机读/写HPI控制寄存器--HPIC。
0	1	主机以地址自动增的模式读/写HPI数据锁存器--HPID。若为读操作，则HPI地址寄存器HPIA自动读后增1；若为写操作，则HPIA自动写后增1。
1	0	主机读/写HPI地址寄存器--HPIA，该地址指向C54X的片内RAM。
1	1	主机读/写HPI数据锁存器--HPID，HPIA不变。

由于DSP最小的存储单位是字（16bit），因此对于HPI8，每个传递必须要有2个传递周期才能完成。HBIL信号用于区分传递的字节是当前字的第一字节还是第二字节。通过设置HPIC寄存器的BOB位，可以决定第一字节是这个字的高字节还是低字节。
2.3 时序图
C54X HPI8的时序如图1所示，该时序可满足市场上大多数微控制器的时序特片。因此，C54X可以通过HPI8很方便地与微控制器接口，S3C44B0X也不例外。
3 S3C44B0X与C54X DSP的接口设计
3.1 硬件连线
TMS320C5416与S3C44B0X连接的接口电路如图2所示。由图2可见，C54X通过HPI8与主机设备相连时，除了8位HPI数据总线及控制信号线外，不需要附加其它的逻辑电路，非常方便。
从HPI寄存器的编址方式可以看出，主机只需两根地址线（A3、A2）便可寻址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和数据寄存器。同时，将HPI8接口安排在S3C44B0X的BANK2（即地址范围0X04000000～0X05FFFFFF），而且S3C44B0X具有内部译码器，直接产生片选信号nGCS2。由于C54X HPI8是一个8位的并行端口，而C5416的内部结构为16位，因而主机必须读/写两个连续的8位字节，而且主机还应该提供HBIL信号指示当然传输的是第一字节还是第二字节。在S3C44B0X中，可以直接使用址线A1来完成此功能：当向A1=0的地址写入数据时，表示为第一字节；向A1=1的地址写入数据表示第二字节。
另外，还有几个关键的控制信号线需要连接。一个就是HR/W信号，由于S3C44B0X没有此信号，使用地址线A4来代替。当A4=1时，代表读操作，反之为写操作。在HPI8的操作中，所有的地址线和控制线在HDS1/2的下降沿采样，用S3C44B0X的读/写信号nOE和nWE来完成此功能。
由于S3C44B0X和C5416 HPI接口的控制逻辑不尽相同，需要使用其它的一些信号线来进行模拟，此时要严格遵循HPI的读写时序（如图1所示）。
3.2 软件设计
由于主机接口（HPI）传送8位数据字节，而HPIC寄存器（通常是S3C44B0X首先要寻址的寄存器）是一个16位寄存器，在S3C44B0X这一边可以相同内容的高字节与低字节来管理HPIC寄存器（尽管某些位的寻址受到一定的限制），在C54X这一边高位不用。

    当主机开始存取DSP的数据时，首先要执行以下两步操作：
·HPIC寄存器的BOB位置1（高字节与低字节必须相同）。BOB位为字节选择位。BOB位置1，表示第一字节为低字节。BOB位影响数据和地址的传送。只有主机可以修改这一位，C54X对它既不能读也不能写。
·将起始地址写入HPIA寄存器。
此后可正常存取DSP内部RAM的数据了。
结合硬件设计和HPI的操作步骤，便可以在S3C44B0X上编写程序实现C5416的数据通信。
程序主要分为两个部分：一部分是地址及数据的定义；一部分是实现代码。具体程序如下：
#define HPI_BASE 0x4000000
/* HPIC reg */
#define HPIC_W_F *(UINT8*)(HPI_BASE+0x0) //000 0 0
#define HPIC_W_S *(UINR8 *)(HPI_BASE +0x2) //000 1 0
#define HPIC_R_F *(UINT8 *) (HPI_BASE + 0x10) //110 0 0
#define HPIC_R_S *(UNIT8 *)(HPI_BASE+0x12) //110 1 0
/*define HPID_W_A_F *(UINT8 *)(HPI_BASE +0x4) //001 0 0
#define HPID_W_A_S *（UINT8 *）（HPI_BASE + 0x6） //001 1 0
#define HPID_R_A_F *(UINT8 *) (HPI_BASE+0x14) //101 0 0
#define HPID_R_A_S *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x16) //101 1 0
/* HPIA reg */
#define HPIA_W_F *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x8) //010 0 0
#define HPIA_W_S *(UINT8 *)(HPI_BASE +0xA) //010 1 0
#define HPIA_R_F *(UINT8 *)(HPI_BASE +0x18) //110 0 0
#define HPIA_R_S *(UINT8 *)(HPI_BASE + 0x1A) //110 1 0
上述这些宏定义了HPI8接口寄存器的地址。对S3C44B0X来说，HPI8占用其内存的BANK2，即起始地址为0X04000000。又由于HPI8的HR/W和HBIL信号用S3C44B0X的地址线实现，因此对同一个寄存器而言，其读写地址不同。
以下代码从DSP读出数据：
UINT16 read_dsp（UINT16 addr）
{
INT16 i;
INT8 j;
set_hpia(addr); //设置起始地址
i=HPID_R_A_F; //读出第一字节
j=HPID_R_A_S； //读出第二字节
return (i<<8)|(j&0xff)；
}
以下代码向DSP写入数据：
void write_dsp(UINT16 addr,UINT16 dat)
{
set_hpia(addr-1); //设置起始地址
HPID_W_A_F=（UINT8）（（dat>>8）& 0xff）; //写入第一字节
HPID_W_A_S=（UINT8）（dat & 0xff）； //写入第二字节
}
在嵌入式系统设计中，用S3C44B0X作为主控制器，用TMS320C5416进行运算，然后通过HPI接口进行通信和交换数据。事实证明，用HPI接口在ARM和DSP间通信满足嵌入式系统的实时性要求。

李小路

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