基于ADSP-21262的DSP的监控设计

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1 引言
      随着数字信号处理理论的日趋完善和超大规模集成电路技术的飞速发展，在各种实时处理应用需求的推动下，数字信号处理器(DSP)也得到了越来越广泛的应用。
DSP的监控是DSP开发和应用中十分重要的环节。目前在DSP的开发过程中，最常用的方式是通过购买处理器的JTAG仿真器和开发软件包实现对DSP的调试和监控。JTAG调试工具的功能十分强大，对于不熟悉DSP内部结构和细节的开发者而言是一种非常不错的选择。但是此种方法也有其缺陷：首先，开发成本比较昂贵，一般购买正版仿真器和软件包的价格都在数千美元至数万美元不等；其次，通用性不强。不但不同公司的处理器需要使用不同的仿真器，同一公司的不同系列DSP之间也没有兼容性。
基于以上原因，笔者结合ADSP-21262的开发研究了其他的监控实现方式。
2 单DSP系统监控设计
2.1 ADSP-21262简介
ADSP-21262是ADI公司推出的一款高性能浮点数字信号处理器，特性如下：
200 MHz工作主频。1 200 MFLOPS；
超级哈佛结构，内部三条独立总线，三级流水线结构；
2 Mbit双口SRAM，4 Mbit双口ROM；
双内核结构，支持SISD和SIMD工作模式；
22条独立的DMA通道；
丰富的外围设备接口。
2.2 单DSP系统监控硬件设计
单ADSP-21262型DSP系统的监控部分硬件电路如图1所示。


ADSP-21262支持多种上电引导方式，如外部EPROM引导、SPI主模式引导、SPI从模式引导。这里选取SPI主模式作为其引导方式。AT25F1024为串行SPI Flash存储器，用于存储ADSP-21262需要引导的程序。如果这里存储的是监控程序，则DSP完成上电引导后便可进入监控状态。并能执行相应的监控功能操作。
这里用异步串口(UART)作为监控系统与用户PC机的通讯接口，完成底层监控程序和PC端监控服务软件之间的通讯。MAX232为电平转换器件，将DSP端的CMOS电平转化为PC端的RS232电平。大多数DSP均不提供自带的UART接口，但是由于UART接口为大多数工程人员所熟悉。并且连线简单，很容易通过两根通用I／O口来分别模拟其Tx、Rx信号，故这里采用此方案。
当然也可以用USB控制器或网口控制器实现USB接口方式或网络接口方式的监控。无论是PC机层的监控服务软件设计，还是底层的监控功能程序设计，在原理上基本一致，不同的只是上层PC机的监控服务软件和底层DSP的监控功能程序之间的通讯所采用的接口方式。这里以UART接口的监控系统为例进行详细介绍。
2.3 监控软件设计
监控的主要功能是方便DSP的调试，故其应该为用户提供的功能主要包括：
处理器的复位和初始化；
程序的装载和运行；
查看DSP内部数据区和程序区；
写DSP内部数据区和程序区；
查看相关的系统寄存器；
程序代码的反汇编显示。
监控软件的设计由上层PC机监控服务软件和底层DSP监控功能程序两部分组成，它的层次结构如图2所示。


2.3.1 PC机软件设计
PC机软件是用户实现DSP监控操作的平台，由C++Builder 5.0开发完成。主要由监控软件界面、各个监控功能模块和UART驱动函数模块组成。
监控软件界面是监控系统和用户进行信息交互的平台，它整合了各个监控功能模块，用户通过它完成各个功能模块的调用、参数的传递、结果的显示等。
PC监控功能模块完成对底层DSP监控功能程序的调用，从而实现用户所需的相应监控功能。
UART驱动函数模块的作用是实现上层PC机的监控服务软件和底层DSP的监控功能程序之间的UART接口通讯。
2.3.2 底层软件设计
底层DSP监控功能程序是整个监控功能实现的核心，由汇编语言开发完成。它由底层监控功能模块和UART协议收发驱动函数模块组成。
底层监控功能模块可以供PC端监控功能模块进行调用，它直接负责完成对DSP的相应管理和操作，如：程序的装载和运行、DSP内部指定地址存储区的读写、寄存器的读写等。
由于ADSP-21262不带UART接口，于是需要UART协议收发驱动函数用两个通用I／O引脚模拟UART的工作时序，以实现DSP与PC间的通讯。


2.4 单DSP系统监控的工作机制
系统的监控功能需要PC机软件和底层软件协同工作来实现，工作流程如图3所示。


图3中左半部分代表底层DSP监控功能程序的流程，右半部分代表PC机监控服务软件的操作流程，中间的虚线代表底层软件和PC机软件之间有数据通讯。
ADSP-21262内有1 Mbit的程序存储器(PM)，当配置为32位字长时，其地址空间为：0X80000～0X87FFF。其中0X80000～0X800FF为中断向量表的位置，其后的空间被分为两部分，分别存放用户程序和监控程序。其中用户程序驻留在低地址空间，监控程序驻留在高地址空间，具体位置用户可以根据监控程序的大小作出调整。DSP的程序区示意图如图4所示。底层监控程序中UART的模拟是通过定时对Rx和Tx信号线进行采样来实现的，因此在监控程序中断向量表中的定时中断_TMZHI处执行JUMP TIMER0_INT指令，其中TIMER0_INT处为定时中断服务程序，用于实现UART的收发功能。而在下载用户程序时，监控程序的中段向量表被用户的中断向量表所覆盖，于是就无法执行相应的UART操作了，为了解决该问题，在监控程序中加入以下代码段：


其作用就是保护定时中断向量入口，以保证正确进入定时中断服务程序。


3 多DSP系统监控设计
3.1 多DSP系统监控硬件设计
多ADSP-21262的DSP系统监控电路如图5所示。


此系统共由5个ADSP-21262组成。其中DSP0被设为主处理器，其余4个作为从处理器。主处理器可以通过SPI总线与各从处理器通讯。从而实现对各从处理器的监控操作。而PC机与主处理器之间则采用上文所述的单DSP系统的监控方式，这里不作赘述。
主DSP设置为EPROM引导方式，上电后从外部EPROM中引导其监控程序PROGRAM_A。各从DSP则设置为SPI从引导方式，等待主DSP完成其自身引导后，再将监控程序PROGRAM_B通过SPI口写入从DSP中。完成引导后主／从DSP分别进入各自的监控状态。
3.2 多DSP系统监控工作机制
此系统中，PC机对主DSP的监控机制与单DSP系统相似，但是PC机监控软件向主DSP发送监控命令时，在命令字节中添加了DSP的ID信息，ID0～ID4分别对应DSP0～DSP4。主DSP接收到命令字节后提取出其中的ID信息，判断用户所期望的DSP代码，如果是对主DSP自身的监控命令，则按照单DSP系统的监控机制进行操作；如果是对某一从DSP的监控命令，则主DSP选中相应的从DSP，并通过SPI口将监控命令发往相应的从DSP，从DSP在执行完用户所要求的监控功能后将结果通过SPI口发往主DSP，再由主DSP发送给PC机监控服务软件。从而实现用户对系统中各DSP的灵活管理。
对于不带SPI接口的DSP，也完全可以采用其他各种通讯接口作为主DSP与从DSP之间的接口。
4 结束语
本文探讨和研究了ADI公司SHARC系列DSPADSP-21262的监控原理和实现机制。并以单DSP和多DSP系统为例，分别详细介绍了以UART口作为监控接口的监控设计方法。此方法也完全适用于其他各类DSP的监控实现。
用户可以根据系统需要和DSP所能提供的资源采用其他的监控方法：例如PC与主DSP之间的监控接口可以选择为USB口、网口等；而主DSP与从DSP之间的通讯也能通过其他各类总线，例如并行的数据／地址总线、同步串口、I2C、HPI、LINK等，完全取决于用户的需要，十分灵活方便。