ARM CPU S3C44B0X与C54X DSP的接口设计_嵌入式系统论文
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。