利用MSP430实现Blackfin DSP的程序

摘要： 本文针对ADSP-BF533的引导方法进行探讨，给出了一种利用微控制器MSP430F149对BF533进行引导的独特方案。在成功实现引导功能的同时，兼具完善的监控功能。
引言
Blackfin处理器是ADI公司与Intel公司于2003年4月联合推出的一系列DSP产品，主要面向嵌入式音频、视频和通信等领域，除了具有强大的信号处理性能和理想的电源效率，还集成了32位的RISC精简指令集。ADSP-BF533是目前Blackfin系列数字信号处理器中性能最高的一款，具有600MHz的主频，双16位的MAC(乘加器)和两个40位的ALU(算术逻辑单元)，4个8位的视频处理单元，8个算术寄存器，10个地址寻址单元。DSP集成了148K字节的片内RAM，并具有丰富的外部接口，如SDRAM、通用并行数据口、SPI、PPI、同步和异步串口等。
MSP430F149是工业级闪存型16位RISC MCU，具有功耗极低、片上资源丰富等特点，同样非常适合掌上设备使用。
本系统为软件无线电掌上设备平台，采用了BF533+MSP430F149的双处理器模式：BF533主要完成宽带扩频信号的快速捕获跟踪和解码功能；MSP430完成的功能包括USB控制器接口、射频控制和DSP引导、监控等，如图1所示。
MSP430通过USB控制器同PC机建立通信，整个系统作为一个USB设备被PC机访问。天线接收射频信号进行直接下变频，经AD转换后进入BF533。DSP程序存放在MSP430F149片内FLASH ROM中。MSP430F149和BF533通过SPI总线连接，在解决DSP程序引导问题的同时，也实现了DSP的实时监控。

图1  系统结构简图

图2  Blackfin 引导文件生成过程

Blackfin 应用程序引导过程
开发Blackfin 应用程序的一般过程如图2所示。
DSP应用程序编写和调试通常在ADI公司的集成开发环境VisualDSP++下完成。在软件设计阶段，可使用硬件仿真器Summit ICE通过JTAG(边界扫描测试接口)同目标处理器连接进行调试开发。VisualDSP++会将用户应用程序代码编译生成DSP可执行文件(.DXE)，并通过JTAG口装入目标处理器的内存。
在设计独立的目标系统时，必须考虑用户程序的引导方式和相应的外部存储器，通过VisualDSP++产生与存储器类型相应的引导文件(.LDR)，将引导文件烧录到外部存储器中。最后，通过某种引导模式将引导文件装载到DSP内存并执行。
BF533内部有一段固化的引导程序(Boot ROM)，见图3。硬件复位后进入引导进程，执行存放在Boot ROM中的引导程序。首先，通过对两个专用引导模式选择引脚BMODE[1:0]的采样，决定BF533将以何种方式装载用户应用程序代码/数据。然后，按照用户选择的格式引导应用程序并执行。
BF533共有4种程序引导模式，表1显示了引脚BMODE[1:0]的值和引导模式的关系。
对任何一种模式，引导程序会根据模式引脚选择的外部程序存储器的类型，先读出一个10个字节的文件头(Header)。文件头由4个字节的目的地址、4个字节的传输数据数量(字节数)和2个字节的控制标志组成。如果用户程序或数据需要放在DSP内存的不同地址块，可以采用分块引导的方式来进行数据加载，每个块(Block)用不同的文件头描述。一旦所有的块装载完毕，处理器将结束引导进程，并从L1指令存储器的起始地址(0xFFA00000)开始执行放在这里的用户代码。文件头中控制标志描述了块的一些属性。图4是引导时的数据流和文件头格式。

图3  Blackfin应用程序引导过程

图4  BF533的引导数据流和文件头格式

SPI引导时序
SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。将各个设备的串行时钟引脚接在一起，主设备的数据输出接从设备的数据输入MOSI(Master Out Slave In)，从设备的数据输入接主设备的数据输出MISO(Master In Slave Out)。
由于MSP430和BF533的SPI口均可软件配置为主或从设备，因此通过同样的连接方法既可使BF533为主机，又可使MSP430为主机。
程序引导时，BF533是主机，串行时钟由BF533提供，监控过程中MSP430是主机，通过SPI口控制BF533，与引导时相比，硬件连接没有改变，只是MSP430和BF533各提供一个通用IO引脚用作握手信号，用来避免MSP430在DSP忙时中断DSP。
在本系统中，BF533引导模式设为从16位串行SPI存储器引导。BF533上电或硬件复位后，SPI接口默认为主模式，并提供频率为500KHz的串行时钟。引导时序最初的几个周期是：从第一个SPI时钟周期开始，BF533在MOSI引脚上产生读SPI的串行EEPROM命令字节，其值为0x03。这个值对于SPI串行EEPROM而言，是读存储器命令。存储器应从下一个时钟节拍开始将存储器内数据串行送到BF533的MISO引脚上。由图4可知，首先送出的应该是块1的目的地址信息0xFFA00000。读出这个值之后，DSP内部会对该值进行判断，如果目的地址不是DSP内存区域内的有效地址，BF533将重复发送读SPI EEPROM命令字节并判断地址有效性这一过程。如果读入的地址有效，将会启动读存储器时序，再发送一个读SPI 串行EEPROM命令字节：先读入文件头，再读入引导内容。
设计中应特别考虑MSP430软件以确保由MSP430F149的SPI接口产生的引导时序和从EEPROM引导时的时序相同。根据笔者开发经验，BF53x系列正式版本具有相同的SPI引导时序，但测试版本芯片的SPI时序与正式版有所差异。

DSP实时监控与程序在线升级
在DSP程序运行的过程中，通常我们需要知道它的运行状况。因此需要建立一种机制用来实现对DSP内存区域的实时读写操作，即完成程序的实时监控。
在BF533应用程序设计中，设置BF533的SPI口为从模式。在引导完成之后，设置MSP430的SPI口为主模式，而引导进去的BF533用户应用程序开始执行，从而在MSP430和BF533之间建立了主从的SPI通信。
此外，MSP430通过USB接口器件PDIUSBD12连接到PC机。监控命令由PC机或键盘操作发起，MSP430响应PC机通过USB总线下发的命令或键盘命令，再根据命令类型进行操作。监控命令分为两类：
(1)PC机或键盘对MSP430的控制命令。命令通过USB总线或键盘传到MSP430，MSP430响应命令并执行相应操作。此类命令包括：升级DSP程序、下载数据到FLASH、外围控制等。
(2)PC机或键盘对DSP的控制命令。这类命令可由PC机通过USB总线或键盘操作下达到MSP430，也可由MSP430直接发起，命令接受方是DSP。此类命令主要有两个：读DSP内存区域和写DSP内存区域。命令由命令包和数据包组成，读命令包主要包括命令代码、目的地址、读出长度以及校验字。在发出读命令包后，如果收到DSP正确的响应，就发出跟读出长度相应的数据包，每发一个数据包就将收到DSP返回的一包数据。写命令包主要包括命令代码、目的地址、写入长度以及校验字。在发出写命令包后，如果收到DSP的正确响应，就将欲写的数据打包送出，如果写入成功，就会收到DSP的正确响应。
MSP430具有60K字节的片上FLASH程序存储器，除了自身程序占用的程序空间，还可空出约48K字节的空间。本系统中，这部分空闲空间用来存放待引导的DSP程序。MSP430的FLASH存储器具有分段擦除和编程功能，最小擦除单位是512(0x200)字节。其FLASH ROM除了可以用专门的开发工具进行编程操作外，还可以自编程实现DSP程序的在线升级。

结语
通过MSP430F149直接对ADSP-BF533进行程序引导和实时监控，与通常使用串行EEPROM引导相比，避免了烧写EEPROM这一中间过程，减少了电路复杂度。在同样的电路连接上既实现了引导功能，又实现了监控功能。此外，通过MSP430灵活的软件编程，还使系统具有引导时机可灵活掌握、DSP程序可在线升级等特点。

参考文献:
1. AD Inc., ADSP-BFx Blackfin DSP Hardware Reference [Z], April 2003
2. AD Inc., ADSP BF53x Data Sheet [Z], April 2004
3. Yongbin Zhou，Bo Yang，Yueke Wang，etc.  All Digitalized language learning system based on DSP net[M]，Proc.ISTM/2003：1029-1032，2003