基于TMS320C6701的飛行軟件加載模式研究

霍 宏 李蘭蘭 劉衛東 汪 洋

北京航天自動控制研究所，北京 100854

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基于TMS320C6701的飛行軟件加載模式研究

霍 宏 李蘭蘭 劉衛東 汪 洋

北京航天自動控制研究所，北京 100854

TMS320C6701具有很好的抗輻照特性，適用于深空探測和長時間在軌飛行，在運載火箭上面級領域的飛行軟件中得到廣泛應用。如何通過優化TMS320C6701的加載模式、制定加載策略，提高飛行軟件運行速度以滿足實時性要求成為當前研究的熱點和難點。本文詳細介紹了TMS320C6701的引導方式，提出了基于TMS320C6701的飛行軟件三級加載模式和加載策略，能最大限度的減少飛行軟件運行時間，提高系統性能。實際應用驗證了該方法對飛行軟件設計具有一定的實用價值和借鑒意義。

TMS320C6701；飛行軟件；三級加載

隨著我國運載火箭的發展，為了進一步適應國際化市場需求，運載火箭上面級技術和多星發射技術研究成為當前研究的難點和熱點。運載火箭上面級具備多次起動、長時間工作、自主飛行等技術特點，為了更好的適應上面級在深空長時間在軌飛行，要求上面級飛行軟件具有抗輻照特性，對于深空單粒子翻轉具有容錯性。為了滿足上面級飛行軟件可靠性和安全性的要求，上面級飛行軟件規模越來越大，算法越來越復雜，對大容量的數據存儲以及實時運算的要求也越來越高。因此，上面級飛行軟件對DSP芯片的性能要求越來越高，如何有效的對DSP芯片存儲空間進行分配，優化DSP芯片的加載模式成為當前的研究熱點[1-2]。宇航級DSP芯片TMS320C6701與其他DSP芯片相比，具有抗輻照等特性，更適合于上面級飛行軟件的要求[3]，本文在對TMS320C6701引導方式研究的基礎上，提出了基于TMS320C6701的飛行軟件的三級加載模式和加載策略，對提高飛行軟件運行速度,滿足系統實時性要求具有一定的實用價值和借鑒意義。

1 TMS320C6701

1.1 概述

宇航級DSP芯片TMS320C6701為通用32位浮點DSP處理器，DSP采用改進的超長指令字(VLIW)體系結構和多流水線技術，具有8個可并行的功能單元[4]，高度的并行結構特點、高速的時鐘頻率使其具有高達1600MIPS運算能力，比通常使用的DSP計算速度快十幾倍，再加上其具有并行執行、多功能、多任務的能力和豐富的指令集以及體積小、功耗低、易于使用的特點，使它非常適合在嵌入式實時系統中應用[5]，但其內部程序空間和數據空間獨立編址，且內部程序空間和內部數據空間容量僅為64K字節，在使用上不如C6713等其他C6000系列的芯片靈活和方便，但宇航級DSP芯片TMS320C6701具有很好的抗輻照特性，適用于深空探測和長時間在軌飛行，對于單粒子翻轉等問題具有一定的保護作用，在運載火箭上面級領域得到廣泛應用[6]。由于TMS320C6701內部程序空間僅有64K字節的空間，內部程序空間運行效率遠遠高于外部空間，隨著飛行軟件對實時性要求越來越高，如何優化引導方式，充分利用內部程序空間，保證飛行軟件實時運行,滿足系統性能要求已成為當前的研究難點。

1.2 引導方式

TMS320C6701提供了3種引導方式：不引導、片外ROM/FLASH引導以及通過主接口引導[7]。

1) 不引導：CPU 直接開始執行地址0 處的存儲器中的指令；

2) ROM/FLASH引導：位于外部 CE1 空間的ROM中64K字節的程序首先通過DMA被搬入地址0，然后開始執行地址0 處的指令，如圖1所示；

3) 主機引導：外部主機通過主機口初始化 CPU 的存儲空間，初始化完成后，將主機口控制寄存器中的DSPINT 位設置為1 ，結束引導過程，開始執行地址 0 處的指令。

圖1 TMS320C6701 ROM/FLASH模式啟動過程

3種引導方式的優缺點如表1所示，在實際嵌入式DSP飛行軟件應用系統中，最廣泛采用的是第2種:片外ROM/FLASH引導加載方式[8]。

表1 3種引導方式比較

上面級飛行軟件為嵌入式軟件，不存在主機設備，且程序規模大、運行要求靈活，因此基于TMS320C6701的飛行軟件應采用第2種引導方式。TMS320C6701指令周期比外設FLASH存儲器的存取時間快100倍左右，如果讓程序在ROM/FLASH中直接運行，勢必會大大降低DSP處理器的運行速率和效率[9]，由于飛行軟件對算法的實時性要求，要求飛行程序必須在內部RAM或外部RAM運行，這就需要將程序執行代碼由外部FLASH拷貝到內部RAM或外部RAM中去，并在內部RAM或外部RAM中運行[10]。

2 飛行軟件加載模式

64K字節的內部程序空間在中小規模飛行軟件中已夠用，但對于大規模復雜上面級飛行軟件通常是不夠用的，為了優化上面級飛行軟件的加載模式，可采用三級引導加載模式，將有限容量的程序指令代碼設計成三級引導代碼。一級加載完成后相繼執行二級引導代碼，二級加載完成后相繼執行三級引導代碼。上面級飛行軟件一般包括3部分，分別是Bootloader程序、監控程序、飛行程序，它們分別固化在Flash中的不同位置。

1) 一級加載：在TMS320C6701復位后，由硬件通過DMA方式從TMS320C6701外部CE1空間拷貝64K字節代碼到內部0地址的高速RAM中，并從內部0地址開始執行Bootloader程序;

2) 二級加載：Bootloader程序根據監控程序存放的地址負責加載監控程序，并啟動監控程序運行;

3) 三級加載：監控程序根據PC機指令有選擇性的加載飛行程序，并啟動飛行程序運行，實現具體的應用程序及算法。

三級加載的流程如圖2所示，通過三級加載的方法將實際工作的存于片外慢速非易失程序存儲器的指令代碼搬移到片內或片外高速RAM中運行，以保證系統對飛行軟件實時性的要求。

圖2 三級加載流程

3 飛行軟件加載策略

根據飛行軟件規模及算法時間性能要求，監控程序分為占用內部RAM空間和不占用內部RAM空間2種情況，加載策略如圖3和4所示。

2種情況下的三級加載策略為系統上電復位后，根據引導方式配置，自動從外部FLASH復制Bootloader程序到內部RAM，Bootloader程序從地址0處自動運行，將監控程序從外部FLASH中加載到片內RAM空間或者片外RAM空間，并啟動監控程序執行，監控程序等待地面的數據搬移指令，接收到指令后，根據CMD文件要求通過DMA方式將飛行程序中的數據段和程序段分別加載到片內和片外的指定RAM空間，通過三級加載的方式，可以使飛行程序充分利用片內64K字節的RAM空間，使片內RAM空間盡可能多的存放飛行程序中實時性要求高的算法代碼，提高算法的運行效率，滿足算法運行時間的要求，最大限度的提高飛行軟件的運行速度，滿足系統實時性的要求。

圖3 監控程序占用內部程序空間

4 實例分析

基于飛行軟件三級加載模式和加載策略，結合某運載火箭上面級星光導航飛行軟件的需求，軟件規模如表2所示，要求飛行軟件在采樣周期500ms內完成實時性要求高的算法部分。

表2 星光導航飛行軟件規模

根據分析，內部程序空間為64K字節，而實時性要求高的算法占用60K字節，因此監控程序可以占用內部程序空間。在宇航級DSP芯片TMS320C6701其余配置相同的情況下，根據星光導航飛行軟件的運行位置，采用以下2種方式對飛行軟件運行時間進行分析，結果如表3所示。

1)片內RAM+片外RAM運行：采用三級加載策略，將實時性要求高的算法部分放在片內RAM運行，將其余部分放在片外RAM運行;

2)片外RAM運行：將飛行軟件全部放在片外RAM運行。

表3 運行時間結果

通過實例分析，只有采用三級加載模式和加載策略，才能滿足星光導航飛行軟件在500ms周期內完成實時性要求高的算法的要求，三級加載模式和加載策略在實際應用中得到了驗證。

5 結束語

研究了基于TMS320C6701的飛行軟件的加載模式，利用三級加載模式和加載策略能夠很好的保證飛行軟件功能和性能要求。本文提出的方法在某運載火箭上面級的飛行軟件中得到驗證，證明本方法能夠最大限度的利用TMS320C6701內部RAM空間、最大限度的提高飛行軟件的運行效率、降低飛行軟件的運行時間，對基于TMS320C6701的飛行軟件的設計開發具有一定的借鑒作用，具有很大的實用價值。

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[5] 鄭存紅，趙瑞峰．DSP6701在數據圖像處理中的應用[J]．光學與光電技術, 2004，2(5): 54-57.( ZHENG Cunhong, ZHAO Ruifeng. Application of DSP6701 in Digital Image Processing[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2004，2(5): 54-57.)

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[9] TI Inc．TMS320C6000 DSP Peripherals Overview Reference Guide[R].2009-07．

[10] 陳代媛.C6000 外部FLASH 在線編程引導技術[J] . 電訊技術, 2009, 49(5) : 86-88. (CHEN Daiyuan. External FLASH Memory′s Bootloader System for C6000[J]. Telecommunication Engineering, 2009, 49(5): 86-88.)

Research of Three-Level Loading Mode Based on TMS320C6701 for the Flight Software

HUO Hong LI Lanlan LIU Weidong WANG Yang

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

Duetothefairanti-radiationofTMS320C6701,itissuitableforthedeep-spaceexplorationandthelong-termorbit.Itispopularlyusedfortheflightsoftwareinupperstageareaofthelaunchvehicle.HowtooptimizethebootmodesandmakethebootstrategiesofTMS320C6701toimprovetheflightsoftwarespeedandsatisfythereal-timerequirementhasbecomeahottopic.BasedontheresearchofthebootmodesofTMS320C6701,thethree-levelloadingmethodandstrategyfortheflightsoftwareisproposedinthispaper.Itcanreducetheflightsoftwarerunningtimeandenhancesystemperformanceatthemost.Themethodisusedinpracticeandcanserveasareferenceforthedesignoftheflightsoftware.

TMS320C6701;Flightsoftware;Three-levelloading

2013-06-29

霍 宏(1986-),女，黑龍江人，助理工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設計；李蘭蘭(1982-)，女，河南人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設計；劉衛東(1979-)，男，山東人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設計；汪 洋(1982-)，女，河北人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設計。

TP302

A

1006-3242(2014)01-0085-04