TMS320F2833x系列DSP網絡加載方法研究

陶春榮，游新望，秦 雅

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

TMS320F2833x(以下簡稱F2833x)是德州儀器公司(TI)推出的支持高性能集成外設的32位微控制器，廣泛應用于實時控制領域。該系列芯片一般通過JTAG接口進行軟件程序的加載，能夠滿足調試需求，但在進行現場軟件的升級時可能存在現場環境惡劣難以到達、結構件拆卸困難等問題。所以，研究基于遠程控制的DSP芯片網絡加載方法可提高程序更改升級的便利性和靈活性，具有重要的實用和推廣價值。

F2833x系列DSP集成了大量的外設供控制使用，具有改進的哈佛結構，還兼有RISC處理器的代碼密度和DSP的執行速度，其最高主頻可達150 MHz，內部集成了一個單精度浮點單元，并配置了一定容量的閃存(FLASH)，可用于DSP程序的存儲及執行。該系列芯片支持軟件引導模式，通過引腳配置可以實現SCI、SPI、CAN、I2C、McBSP、XINTF和并行I/O等加載方式。

本文設計了一種基于TM4C129x系列ARM芯片的網絡加載方法。通過SCI-A口將TM4C129x芯片與F2833x連接，采用了SCI-A的引導模式，并結合F2833x的Bootloader實現其網絡在線燒寫和加載，進行了具體的硬件設計、TM4C129X軟件設計、二次引導程序設計及上位機程序設計，實現了F2833x芯片程序的網絡加載升級功能。

1 F2833x系列引導流程介紹

F2833x系列DSP內部都固化了ROM存儲器。ROM資源里包含了Bootloader程序。Bootloader程序在系統通電后能自動將存放在外部載體的用戶代碼引導到FLASH存儲器的任何空間或片內SARAM中。對于F2833x系列DSP來說，當上電復位后，芯片自動運行引導加載程序。該程序將判斷GPIO84～87引腳的電平狀態，根據引腳電平狀態選擇相對應的引導方式，然后引導加載程序將外部的程序加載到芯片內部的SARAM中，最后根據引導加載程序指定的程序入口地址在片內SARAM中運行相應的程序，完成芯片的引導啟動。

F2833x上電后，首先處于復位狀態，當復位引腳置高時器件退出復位狀態，器件從復位向量(0x3FFFC0)處開始運行。該處存放著BootROM的初始引導程序InitBoot程序的入口地址。InitBoot程序是由廠家固化到BootROM中的。此時，程序跳轉到0x3FFC00處運行InitBoot程序。該程序首先讀取安全保護模塊的密碼，然后初始化例程調用模式選擇功能函數(SelectBootMode)。該函數根據GPIO引腳84～87的狀態確定DSP的引導方式，引導方式與控制引腳間的關系見表1。上電復位后，默認使能這4個GPIO引腳內的上拉功能。此時，必須設定好相應控制引腳的電平狀態，在引導加載程序中將會對相應的引腳電平進行采樣，之后決定進入何種引導方式。SCI、SPI、并行引導等幾個啟動模式還需要進一步調用Bootloader搬移程序。一旦完成SelectBootMode將會把入口地址返回給初始化引導程序(InitBoot)，然后初始化引導程序調用恢復CPU寄存器的退出例程(ExitBoot)并退出到由引導模式確定的程序入口地址，從而完成硬件引導進入用戶程序引導并開始運行用戶程序。

表1 引導模式與控制引腳的關系

2 F2833x網絡加載實施方案

從F2833x引導模式可以看出，由于該芯片本身不具備網絡引導的功能，所以要完成程序的網絡燒寫及加載需要具備下面兩個條件：

(1) 需要有一塊具備網絡接口和SCI、I2C、CAN等數字接口的MCU來實現網絡通信，以及對F2833x的引腳控制和數據加載工作。

(2) 需要制作專用的二次引導程序，以此來實現F2833x與MCU的數字通信，以及對其內部的FLASH進行燒寫的工作。

只有具備了上述兩個條件才能實現F2833x的網絡燒寫、加載功能。因此，本方案采用了TI公司的TM4C129x芯片作為網絡加載的主控MCU。該芯片采用的是ARM-M0結構，具備以太網、USB、CAN、I2C、SCI的豐富的電路接口功能，同時在該芯片上可以運行TI公司專用的實時操作系統。該芯片功能強大到完全可以滿足與上位機的以太網通信，以及對F2833x的引腳控制和數據交互功能，從而實現F2833x的網絡燒寫、加載功能。在本方案中F2833x采用的是SCI-A引導模式。這種異步串口引導模式具有實現簡單、穩定可靠的特點。

F2833x的SCI引導模式采用的是異步方式從SCI-A端口將代碼引導到F2833x中。這種方式使用的是8位的數據模式。F2833x通過SCI-A口同主機進行通信，其波特率自動檢測功能可以用來鎖定主機的通信速率。當完成通信速率鎖定后F2833x和主機開始進行數據傳輸。每接收到一幀主機傳來的8位數據，F2833x都會將此幀8位數據再返回給主機。通過這種方式，主機可以檢驗F2833x接收到的字符與發送的字符是否一致，從而保證通信數據的完整性。SCI-A的引導流程圖如圖1所示。

圖1 SCI-A引導流程圖

2.1 硬件設計

根據F2833x引導流程要實現該芯片引導模式的變化需要GPIO84～GPIO87，以及復位管腳這5根控制管腳的共同作用。本文采用的是SCI-A的引導模式。因此，主控的MCU不僅要控制這5根控制管腳，而且還需要異步串口與F2833x相連接從而完成對F2833x的數據流控制及傳輸。電路設計圖如圖2所示。

圖2 硬件電路示意圖

由于TM4C129x接口豐富，包含有多路物理GPIO端口和多路UART異步串行數據總線接口，其每個物理GPIO端口均可編程為輸入/輸出管腳。在本方案中采用TM4C129x芯片的GPIOA3～GPIOA7端口作為控制管腳與F2833x的5根控制管腳相連接，采用UART0接口與F2833x的SCI-A接口相連，以此來實現對DSP引導模式的控制及程序的加載。利用TM4C129x的以太網控制器實現與上位機的網絡通信，通過專用上位機軟件來實現對DSP的引導及程序加載。

2.2 軟件設計

2.2.1 TM4C129x軟件設計

TM4C129x主要完成從網絡接收上位機發來的網絡加載命令及需要加載的程序。為了確保加載程序在網絡傳輸中不發生丟幀等錯誤，TM4C129x與上位機采用的是可靠的TCP協議進行通信。接收到上位機的網絡加載命令后TM4C129x通過5根控制管腳控制F2833x進入到SCI-A引導模式，然后TM4C129x將二次引導程序通過SCI-A口加載到F2833x中。加載完畢后復位F2833x讓其運行加載好的二次引導程序。二次引導程序將與TM4C129x進行SCI-A串口的握手通信。握手成功后TM4C129x將上網機發來的需要加載的程序通過SCI-A串口傳輸到F2833x中。傳輸完成后F2833x的二次引導程序將進行對F2833x內部FLASH空間的擦除及重新燒寫接收到的加載程序工作。上述工作完成后，F2833x通過串口發送加載完成信號。這時，TM4C129x將控制管腳置為FLASH引導狀態，同時復位F2833x完成對其的網絡加載。

2.2.2 二次引導程序設計

從F2833x的引導方式可以知道，SCI-A引導模式只能實現從外部加載程序到F2833x內部并開始運行，并不能實現將程序燒寫到F2833x的FLASH內。若要實現在線的FLASH燒寫必須采用二次引導的模式，即編寫一段二次引導程序。該程序可以實現F2833x與TM4C129x的數據通信功能，同時能將接收到的加載數據按照F2833x的指定格式燒寫到其內部相應的FLASH空間中去。通過閱讀F2833x的數據手冊發現TI公司提供了在線燒寫F2833x內部FLASH的API函數。利用該函數可以實現在線燒寫F2833x程序的功能。二次引導程序首先初始化F2833x的時鐘，然后配置其SCI-A串口(實現與TM4C129x的通信)，隨后等待TM4C129x的握手信號。收到握手信號后發送握手成功信號至TM4C129x，然后等待TM4C129x的燒寫命令。當接收到燒寫命令后F2833x將先接收需要燒寫的加載程序，而后調用燒寫FLASH的API函數擦除FLASH的相應區塊并完成最終的加載程序燒寫。具體的程序流程如圖3所示。

圖3 二次引導程序流程圖

二次引導程序在設計中有幾個需要特別注意的要點：

(1) 二次引導程序在配置編譯所需的CMD文件時需要將其工作模式配置成RAM工作模式，因為只有這樣專用的燒寫FLASH的API函數才能正常運行，否則會無法完成對FLASH的正常燒寫。

(2) 在需要燒寫的加載程序的CMD文件的地址空間分配應與二次引導程序設定的燒寫地址相匹配，否則會產生燒寫成功但無法正常實現FLASH引導的問題。

(3) 在二次引導程序中一定要注意對CSM區塊的檢查及保護。因為該區塊是F2833x的保護區塊，一旦被燒寫了數據便會造成F2833x內部FLASH的鎖死保護。如果不知道燒寫數據的內容，F2833x芯片將無法再次進行FLASH的燒寫，從而造成芯片的報廢。

(4) 二次引導程序是由TM4C129x通過F2833x的SCI-A引導模式加載到F2833x并運行的，因此這段程序是以SCI-A引導模式的數據格式存儲在TM4C129x內部的，而F2833x編譯完成的數據格式無法直接用在SCI-A引導模式上，需要利用TI公司提供的hex2000軟件將其轉換成標準SCI-A引導格式后才能使用。

2.2.3 上位機程序設計

上位機程序采用Visual C++編制而成的，主要是完成對TM4C129x的網絡地址掃描，與TM4C129x建立起TCP連接，發出相關的控制指令，控制TM4C129x對F2833x進行相關的操作(CSM保護塊檢查、FLASH區塊擦除等操作)，將需要加載的程序通過TCP連接傳輸到TM4C129x上從而實現對F2833x的網絡加載和燒寫。該程序采用的是多進程的體系架構，由獨立的通信進程負責網絡數據的傳輸，從而避免了單一進程大數據量傳輸時界面會假死的現象。同時，為了保證傳輸數據的一致性，上位機程序與TM4C129x采用的是帶數據校驗的傳輸模式。傳輸的每幀數據均會回傳給上位機進行數據校驗，當出現數據不一致時將會給出報錯信息，進一步對傳輸的數據起到了保護作用。

3 結束語

通過上述方法可實現對F2833x的網絡加載和燒寫，只需要一臺上位機通過一根網線就可以實現對F2833x的程序更新。該方法已經在多型產品的伺服控制平臺上使用，應用穩定可靠、效果良好，進一步改善了調試環境并簡化了調試步驟，具有很好的實際應用和推廣價值。