TI：PRU处理器开发详解

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摘要
          TI OMAPL13x, C674x, AM180x，OMAP-L137，C6747，AM170x等芯片上（本文统一以OMAP-L138代称）有一个PRUSS（Programmable Real time Unit Subsystem），可独立编程实现一些实时性要求高的个性化需求，实现产品的差异化。本文介绍PRU处理器架构，开发，调试方法。
         
        PRUSS简介
          在系统架构上，PRUSS是连接在OMAPL138内部总线SCR上的一个模块，与系统中其它主模块如ARM，DSP一样，可以访问芯片上的其它外设，工作在PLL0_SYSCLK2时钟域，即ARM/DSP 频率的一半。

         

       
       
        图1 PRUSS框图

         

          PRUSS包括两个PRU，通过自己的SCR与子系统的中断控制器、指令内存、数据内存、以及系统SCR相连。PRU不是一个加速器，它是32-bit Load/Store RISC架构小端处理器，每个PRU有32个通用寄存器R0～R31，4K byte指令RAM，512 byte数据RAM，指令RAM是独立的，互相之间不能访问，但数据RAM可以通过映射地址互相访问；专用的30个输入引脚和32个输出引脚（注：OMAPL137系列没有PRU外部引脚）。PRU没有Cache、指令流水线、及乘法指令。
         
        1 PRU内存映射
          1.1 指令空间
          每个PRU独立的指令空间为0x00000000～0x00000FFF。指令空间由外部主处理ARM/DSP初始化，程序指针PC是32bit字地址，不是字节地址，如PC=2，代表指令地址0x08。
           

       
        表1 PRU指令空间映射表

         
        1.2 数据空间
          每个PRU独立的512byte数据RAM空间为0x0000~0x01FF，因为数据RAM连接在PRU子系统的SCR上，所以子系统中的其它主模块也可以访问到这块空间，这段内存空间在另一个PRU 上的映射地址为0x2000~0x21FF。
         
        位于数据空间的还有共用的中断控制器寄存器；PRU控制/状态寄存器，有各自的地址空间。

         

       
       
        表2 PRUSS本地数据空间内存映射表

         

          1.3 全局地址空间映射
          PRU局部地址空间在系统全局地址空间映射端口为0x01C30000，如表3所示，PRU可以通过表2的局部地址，也可以通过表3的全局地址访问PRUSS的数据空间，通过全局地址空间访问要经过系统SCR2，比通过局部地址空间访问要慢。PRUSS外部主模块如ARM，DSP等可通过全局地址空间访问PRU资源。
       
         

       

        表3 PRUSS全局空间内存映射表

         

          2控制/状态寄存器
          PRU0的控制/状态寄存器地址位于0x00007000～0x000077FF，PRU1的控制/状态寄存器地址位于0x00007800～0x00007FFF，寄存器列表如表4所示，各寄存器的详细说明请参阅[1] 。
           

       
        表4 PRU控制/状态寄存器表

         

          2.1 CONTROL控制寄存器
          外部主模块ARM/DSP通过控制寄存器可以控制PRU的运行状态。

       
       
        表5 PRU控制寄存器说明表

         

          2.2 STATUS状态寄存器
          状态寄存即PRU 的程序指针寄存器，与程序的真正运行状态有一个周期的延时。
         
        2.3 WAKEUP唤醒使能寄存器
          在程序执行SLP指令进入睡眠状态之前，使能WAKEUP寄存器相应的位，当输入状态寄存器R31相应的位置1时，即WAKEUP&R31！=0时，唤醒PRU。
         
        2.4 CYCLECNT周期计数器
          当CONTROL[ENABLE]=1和CONTROL[COUNTENABLE]=1时，CYCLECNT以PRU时钟周期计数。当CONTROL[ENABLE]=0或CONTROL[COUNTENABLE]=0时，计数停止。当重新使能时，恢复继续计数。
         
        2.5 STALLCNT取指停止计数器
          当CONTROL[ENABLE]=1和CONTROL[COUNTENABLE]=1，且由于某种原因PRU不能取指令时，STALLCNT开始以PRU时钟周期计数。其值总是小于，或等于CYCLECNT的值。
         
        2.6 常量表
          PRU提供32个常量地址表C0～C31，INTCTER0-INTCTER31是常量表的调试接口，当PRU停止时，外部主模块读取INTCTERn即得到常量表Cn的值。通过指令LBCO或SBCO从常量表指向的地址与寄存器之间以簇发方式传递数据。指令格式举例如下：
         
        LBCO   R2, C2, 5, 8 //从C2+5 的地址读取8 字节到R2, R3。
         
        SBCO   R2, C2, 5, 8 //将R2, R3 的数据写到C2+5 开始的地址。
           

       
       
        表6 PRU常量表

         

          在性能上与指令LBBO和SBBO没有区别，利用常量表可以节省通用寄存器的使用。
        0～23号常量表提供的入口地址是固定的，24～31号常量表的域可通过寄存器编程设置：

       

•                 C24[11:8]通过CONTABBLKIDX0[3:0]设置；          
  
•                 C25[11:8]通过CONTABBLKIDX0[19:16]设置；        
  
•                 C28[23:8]通过CONTABPROPTR0[15:0]设置；        
  
•                 C29[23:8]通过CONTABPROPTR0[31:16]设置；        
  
•                 C30[23:8]通过CONTABPROPTR1[15:0]设置；        
  
•                 C31[23:8]通过CONTABPROPTR1[31:16]设置。
  

           
         
          2.7 INTGPR0～31调试通用寄存器
          INTGPR0～31与通用寄存器R0～R31对应，为外部主模块提供一个调试窗口。当PRU停止时，ARM/DSP读/写INTGPR0～31直接读/写寄存器R0～R31。
         
        3 PRU模块接口
          3.1 PRU事件/状态寄存器R31
          R31是一个特殊的寄存器，读与写操作时的功能是不一样的。
         
        写R31寄存器时，写事件号0～31到R31_PRU_VEC[4:0]，同时设置R31_PRU_VEC_VALID，将产生中断输出事件到中断控制器的32~63号系统事件。两个PRU输出的中断事件相“或”输出到同一个中断号。
           

       

        表7 写R31寄存器

           
          读R31寄存器时，R31[29:0]反映PRU的输入管脚PRU_R30[29:0]的状态。R31[31:30]是映射到中断控制器的INTR_IN[0]和INTR_IN[1]的状态。

       
       
        表8 读R31寄存器

         

          3.2 通用输出寄存器R30
          每个PRU有32个独立的输出管脚PRU0_R31[31:0]和PRU1_R31[31:0]，写到寄存器R30[31:0]的值直接输出到PRUn_R31[31:0]管脚。
         
        4 PRU中断控制器
          PRU中断控制器支持64个系统事件，10个中断通道，10个主机中断。
           

       
        图2 PRU中断控制器框图

           
          系统事件0～31为32个外部事件如表9所示，可以通过系统配置寄存器CFGCHIP3的第3位PRUEVTSEL在两组事件中进行选择，PRUSSEVTSEL=0时选择第一列的32个外部系统事件，PRUSSEVTSEL=1时选择第二列的32个外部系统事件；系统事件32～63由写R31产生。
       
         

       

       
        表9 PRUSS系统中断事件

           
          10个通道可以由任意64个系统事件映射，可以多个系统事件映射到一个通道，但不要将一个系统事件映射到多个通道。
           
          10个主机中断与10个通道之间可以任意映射，可以多个通道映射到一个主机中断，但不要将一个通道映射到多个主机中断，推荐按x号通道映射到x号主机中断方式映射。
         
        主机中断0输出到R31.b30，主机中断1输出到R31.b31。主机中断2～9接输出PRUSS到ARM 和DSP的中断控制器的系统事件PRUSS_EVTOUT0～7。PRU不支持中断向量表，产生的0，1 主机中断可用来唤醒PRU，或为PRU软件提供状态查询。
         
        PRU中断控制器寄存器说明请参考文献[2] 。
         
        5 PRU编程
          5.1 汇编工具PASM
          PRU只支持汇编编程，可用任意的文本编辑器编写源代码。PASM是PRU的命令行汇编器，其语法为：
          pasm[-bcmldz] [-Dname=value] [-Cname] InFile [OutFileBaseName]
         
        参数含义如表10所示：

       
       
       

       
        表10 PASM命令表

         

          PASM将汇编代码转换成一整块可执行的二进制数据用于加载，代码从指令内存的首地址开始排放，编译时没有链接过程，没有内存映射，所以没有段，从而也没有段指示符。输出格式可以为纯二进制文件，C语言形式的数组，Hex格式文件。
         
        5.2 PRU指令集
          指令按功能分为四类：数据搬移指令，算术运算指令，逻辑操作指令，程序流控指令。指令的语法规则参考[3]。
         

       
        表11 PRU指令集

         

          除了访问外部内存的指令，其它所有PRU 指令都是单周期指令。指令中寄存器名加上后缀表示寄存器中的位、字节、半字，这种灵活的寄存器访问方式可以将数据包，结构体分解成小的数据单位处理。

       
       
        表12 寄存器位域表示方式

           
          举例说明这种寄存器访问方式：
           

       

       

         
        5.3 汇编操作符
          PASM支持4类汇编操作符：Hash命令，指示语句，标签，注释。
         
        5.3.1 Hash命令
          控制汇编器的预处理，包括#include，#define，#undef，#ifdef，#ifndef，#else， #endif，#error，与C语言的预处理命令用法类似。
         
        5.3.2 指示符
          指示符以“.”开头，单独占一行，不一定要放在一行的开头，后面可以跟注释语句。

       
       
        表13 PASM汇编指示符

          5.3.3 标签
          在源代码中加入标签名+“：”，用来标示源代码的地址，当被指令引用时，直接替换成标签所在的源代码地址。标签命名不能以数字开头，可以单独为一行，也可以与指令，注释在同一行。
           
         
          5.3.4 注释
          以“//”开始，以行结束符结束，可以出现在代码的任何位置。
         
        6 PRU开发包
          TI提供的PRU开发包里[4]，提供了大量的实例源码，目录结构如图3所示。

       
       
        图3 PRU开发包目录结构

         
        bin目录下是Linux与Window版本的PASM工具；docs目录下的readme文件列出了TI wiki上的PRU帮助说明链接；example目录下为各种例程源码，每个例程包括CCSV3.3的DSP工程，和以“.p 和.hp”结尾的PRU代码；host目录下是两个单独的PRU代码下载例程，以文件形式的和以数组形式的。
         
        7 PRU代码下载与运行
          先通过PSC使能PRU模块时钟，PRU空间才可以被访问。
         
        PASM编译后PRU代码通过ARM/DSP从全局地址空间加载到PRU 的指令空间后，ARM/DSP通过全局空间地址将PRUCONTROL寄存器的CONTERENABLE和ENABLE置1，PRU即开始从0地址开始运行。在运行过程中ARM/DSP可以通过CONTROL控制PRU的暂停，运行，复位，及复位后的运行地址等；暂停时可以通过PRU的调试寄存器观察PRU 的寄存器状态，也可以通过调试寄存器修改PRU寄存器的值。
         
        8 PRU调试
          目前在CCSV5里可以用仿真器连接PRU 查看寄存器，内存。但是没有图形界面的PRU调试工具，不能在代码中加入断点这样的方式调试。可以通过以下几种方法进行间接调试。
         
        8.1 加入“打印”信息
          在PRU代码中增加调试代码，根据程序运行状态在内存里写入相应的值，暂停PRU后，通过查看内存值来获取程序的运行状态，也可以在DSP/ARM的代码里加入调试代码检测内存值的变化。
         
        8.2 触发中断
          在PRU代码中通过写R31寄存器给DSP/ARM发送中断，这种方法减轻DSP/ARM的负荷，尤其在DSP/ARM软件与PRU软件一起调试时更为有效。
         
        8.3 通过输出寄存器R30输出状态
          在代码中写R30 设置相应PRU 输出管脚的状态，用示波器或万用表观察管脚状态以获知程序运行状态。
         
        8.4 加入空循环反复调试
          在代码中加入while(1)，通过查看PRU的程序指针是否停在空循环处，可以知道程序运行流程是否正确，查看PRU 的寄存器和内存判断运行结果是否正确。在PASM编译产生的列表文件里有代码的对应的程序指针值。
         
        参考文献：
          1.http://processors.wiki.ti.com/index.php/Programmable_Realtime_Unit#PRU_C
        ontrol_Register_.280x0000.29
        2.http://processors.wiki.ti.com/index.php/PRU_Interrupt_Controller
        3.http://processors.wiki.ti.com/index.php/PRU_Assembly_Instructions
        4.http://www.ti.com/tool/sprc940
        5.http://processors.wiki.ti.com/index.php/PASM_Syntax_Highlighting