基于TMS320C6678的國產(chǎn)DSP操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序設(shè)計

馬云 游夏

摘要 以IMS32UC6678為代表的鬲性能DSP芯片，不僅具有快速的數(shù)據(jù)處理能力，而且提供了豐富的片上接口資源。DSP應(yīng)用的開發(fā)也從單跑應(yīng)用程序過渡到操作系統(tǒng)時代，多核操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程要比單個應(yīng)用的引導(dǎo)更加復(fù)雜、更具有挑戰(zhàn)性，是DSP的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對國產(chǎn)DSP操作系統(tǒng)提出了一種引導(dǎo)方法，并在星載、車載和艦載等DSP設(shè)備中得到了成功的驗證。

【關(guān)鍵詞】TMS320C6678 引導(dǎo)程序 DSP 操作系統(tǒng)

1 引言

TMS320C6678是德州儀器（TI）公司全新架構(gòu)的TMS320C66x數(shù)字信號處理器。該芯片基于KeyStone多內(nèi)核sOc架構(gòu)實現(xiàn)，內(nèi)部集成了最多8個C66x核，單核的最高工作頻率1.25 GHz，單核即可實現(xiàn)40 GMAC的定點處理或20 GFLOP的浮點處理能力。在雷達(dá)信號處理、水聲設(shè)備、電子對抗、圖形圖像處理、無線和移動通信等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

在DSP的實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的啟動過程要脫離仿真器件，實現(xiàn)自動加載。特別是對DSP操作系統(tǒng)來說，引導(dǎo)過程不僅要完成對鏡像文件的讀取、解析、復(fù)制到內(nèi)存，還要考慮到操作系統(tǒng)的內(nèi)存劃分和映射機(jī)制、芯片內(nèi)不同核之間的同步等因素，因此非常有必要研究DSP操作系統(tǒng)的引導(dǎo)方法。

2 DSP啟動方式

通常TMS320C6678是通過RBL （ROMBoot Loader）啟動的，RBL是固化在DSP芯片內(nèi)一段程序，永久地存儲在DSP的ROM中，起始地址是Ox02BOOOOO，大小共計128Kbytes，用戶不能對其修改。在芯片上電復(fù)位后，RBL負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)鏡像或用戶應(yīng)用程序鏡像從外部主機(jī)或內(nèi)部的非易失性存儲器（ EEPROM、FLASH）傳送到內(nèi)部的高速內(nèi)存（Cache、MSM或DDR）中，并跳轉(zhuǎn)到入口地址運(yùn)行程序。

為了適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，TMS320C6678提供了多種啟動方式，可以通過網(wǎng)卡、PCIe、SRIO、HyperLink接口從主機(jī)下載鏡像，也可以通過EMIF、SPI、120接口從外部存儲器下載鏡像，完成啟動過程。這里的主機(jī)可以是通用的PC機(jī)，也可以是具有上述接口（網(wǎng)卡、PCIe、SRIO等）的嵌入式系統(tǒng)，特別是多節(jié)點DSP應(yīng)用中，使用一個DSP節(jié)點作為主機(jī)啟動其它DSP節(jié)點是一種非常高效的引導(dǎo)方式。

TMS320C6678芯片有13個外部引腳BOOTMODE[12：0]用于引導(dǎo)方式的設(shè)置。上電后，內(nèi)核O執(zhí)行RBL代碼，并采樣這13個引腳的狀態(tài)，決定采用哪種引導(dǎo)方式。管腳配置共分三類，分別是BOOTMODE[2：0]用于選擇引導(dǎo)外設(shè)接口，BOOTMODE[9：3]用于設(shè)置外設(shè)接口的初始化參數(shù)。BOOTMODE[12：10]用于PLL的初始化配置。

3 傳統(tǒng)啟動方式的缺陷

雖然可以通過RBL直接加載應(yīng)用，但是在實際應(yīng)用過程中存在眾多的限制性因素使其無法滿足要求，主要體現(xiàn)在：

3.1 文件格式的限制

RBL是固化在DSP內(nèi)部的一段程序，非常精簡，但是無法直接對ELF格式的文件進(jìn)行解析。為了實現(xiàn)鏡像的加載，必須通過TI提供的一系列的工具將ELF文件轉(zhuǎn)換成特定的格式，而且不同接口轉(zhuǎn)換后的格式也不盡相同，例如通過網(wǎng)絡(luò)、SPI、I2C、EMIF等加載必須通過不同的方法完成轉(zhuǎn)換，通用性極差。

在啟動過程中還需配置引導(dǎo)表（ BootTable）、啟動參數(shù)表（Boot Parameter Table）和啟動配置表（Boot Config Table）等眾多參數(shù)，對不熟悉硬件的DSP開發(fā)人員來說難以使用。

3.2 硬件配置的限制

對于實際應(yīng)用中的DSP板卡來說，外設(shè)接口（如SRIO、網(wǎng)卡、PCIe等）通常是通過交換芯片與外部連接，交換芯片在使用前是需要配置的。在RBL中不提供對交換芯片的配置功能，也就意味著帶有交換芯片的板卡根本無法通過這些外設(shè)接口加載。

帶有操作系統(tǒng)的鏡像，特別支持網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)加卸載、符號表和文件系統(tǒng)等功能的鏡像文件通常較大，鏡像代碼段和操作系統(tǒng)的運(yùn)行空間需要使用DDR存儲器，特別是當(dāng)啟動多核時，Cache和共享內(nèi)存不具備加載和運(yùn)行功能復(fù)雜的操作系統(tǒng)的條件。而DSP芯片啟動過程中不會初始化DDR，也就意味著無法完成鏡像的加載。

3.3 操作系統(tǒng)的限制

操作系統(tǒng)不同于簡單的應(yīng)用，操作系統(tǒng)中存在虛擬地址和多核間的同步問題，傳統(tǒng)的加載方式無法識別操作系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬地址和物理地址，在解析和鏡像搬移的過程中會將數(shù)據(jù)搬移到虛擬地址，這樣操作系統(tǒng)根本無法運(yùn)行，RBL啟動僅限于單核，也不考慮多核間的同步問題。

4 國產(chǎn)DSP操作系統(tǒng)

本文的引導(dǎo)是針對于帶有操作系統(tǒng)的鏡像，操作系統(tǒng)選用國產(chǎn)的銳華DSP實時操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)提供了面向主流DSP芯片的高性能國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件解決方案，其內(nèi)核完全自主設(shè)計，并針對TI公司TMS320C6678芯片進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。

銳華DSP實時操作系統(tǒng)使用AMP多核并行處理架構(gòu)，操作系統(tǒng)部署在每個DSP核上，每個核都有自己的存儲空間和任務(wù)隊列、上下文操作空間、堆棧等，核間提供了多核屏障、自旋鎖等多核同步和資源保護(hù)機(jī)制。銳華DSP實時操作系統(tǒng)具有強(qiáng)實時、高可靠特征，基于微內(nèi)核及組件技術(shù)，能根據(jù)實際應(yīng)用需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行配置、裁剪、擴(kuò)展與定制。同時支持模塊的動態(tài)加卸載，易于系統(tǒng)重構(gòu)及應(yīng)用升級，解決了多核DSP難于使用的問題，改變了原有的DSP處理器編程模式，提高了用戶的軟件開發(fā)效率。

銳華DSP實時操作系統(tǒng)的所有核使用同一份映像代碼，每個核根據(jù)核號執(zhí)行不同的代碼分支。操作系統(tǒng)將DDR內(nèi)存分為2塊大的區(qū)域，高端為多核共享區(qū)，低端為每個核的私有區(qū)。其中，引導(dǎo)、系統(tǒng)代碼、共享數(shù)據(jù)以及用戶自定義內(nèi)存均位于共享區(qū)，每個核的堆和棧位于私有區(qū)。

在私有區(qū)中，每個核使用虛擬地址，也就是說每個核的物理地址不同，但邏輯地址是相同的，因此在操作系統(tǒng)引導(dǎo)方案設(shè)計過程中必須考慮這一因素。

多核加載功能是在操作系統(tǒng)中實現(xiàn)的，引導(dǎo)程序首先加載核O，對于另外7個核來說，主要是掛載IPC中斷，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)核0啟動后，通過系統(tǒng)參數(shù)讀取哪些核需要被引導(dǎo)，然后向需要被引導(dǎo)的核發(fā)送IPC中斷，其它核收到中斷后，即跳到入口地址，并完成多核的加載過程。

5 引導(dǎo)流程

針對傳統(tǒng)啟動方式的缺陷和實時操作系統(tǒng)的特點，本文設(shè)計了一種新的二次引導(dǎo)的加載程序（RBOOT）。與其它的二次引導(dǎo)不同，RBOOT重點考慮了操作系統(tǒng)參數(shù)、內(nèi)存構(gòu)架、板卡外設(shè)配置等。RBOOT可以作為通用的DSP芯片引導(dǎo)程序，無需為專門的DSP板卡或特殊的硬件設(shè)備定制，具有非常好的通用性。

RBOOT可以固化在外部存儲器（EEPROM. NOR Flash. NAND Flash），通過RBL引導(dǎo)。RBOOT支持主機(jī)啟動和存儲器啟動，包括但不限于RBL的全部啟動方式。如果有必要RBOOT甚至可以通過串口、GPIO等非常規(guī)啟動接口引導(dǎo)操作系統(tǒng)。

在RBOOT加載后進(jìn)入讀秒過程，并待串口的輸入。如果串口上有輸入，則進(jìn)入SHELL界面等待用戶的命令，如果無輸入，則使用默認(rèn)的引導(dǎo)方式加載。DSP操作系統(tǒng)鏡像加載流程如圖1所示。

在SHELL界面用戶可以完成以下功能：

（1）配置操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)的物理地址空間、虛擬地址空間，需要引導(dǎo)的核的個數(shù)等，引導(dǎo)程序可根據(jù)這些參數(shù)正確的加載操作系統(tǒng);

（2）配置硬件，可配置的硬件包括網(wǎng)卡、SRIO、PCIe的參考頻率、發(fā)送和傳輸通道的參數(shù)、工作模式、波特率、板卡上的交換芯片、PHY芯片、DDR等。在加載過程中，根據(jù)這些參數(shù)啟動外設(shè)，從而將鏡像文件讀入到芯片內(nèi)部;

（3）配置環(huán)境參數(shù)，包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)信息、SRIO端口號、PCIe端口號、鏡像文件名稱等，如果從存儲器啟動，還可設(shè)置操作系統(tǒng)鏡像文件在存儲器上的偏移等;

（4）配置加載方式，目前可支持的加載方式有網(wǎng)卡、SRIO、PCIe、SPI、EMIF等，用戶可根據(jù)當(dāng)前的硬件特點選擇任何一種方式加載;

（5）加載操作系統(tǒng)，讀取用戶配置的信息，根據(jù)當(dāng)前的啟動方式加載操作系統(tǒng)，如果用戶未設(shè)置，會使用默認(rèn)的方式（EMIF接口）加載，因為在系統(tǒng)正式運(yùn)行后，以EMIF方式加載為主。

在板卡外設(shè)啟動后，RBOOT首先會讀取ELF文件的文件頭，從文件頭中解析出程序頭（ Program Header）、段頭（Section Header）和操作系統(tǒng)入口地址（ Entry point address）的信息。根據(jù)這些信息將ELF文件中的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存地址并進(jìn)行校驗。

在復(fù)制數(shù)據(jù)段到內(nèi)存的過程中，需考慮操作系統(tǒng)的物理地址和虛擬地址的轉(zhuǎn)換，如果讀到的是虛擬地址空間，需要計算出物理地址，并將數(shù)據(jù)復(fù)制到真實的物理地址中，這是和無操作系統(tǒng)鏡像加載最顯著的區(qū)別。

當(dāng)所有的數(shù)據(jù)復(fù)制完成并成功通過校驗后，跳入到操作系統(tǒng)鏡像的入口地址，并運(yùn)行操作系統(tǒng)。

6 實驗結(jié)果

RBOOT實現(xiàn)了自動加載操作系統(tǒng)鏡像程序，支持多種加載方式。實驗結(jié)果表明該引導(dǎo)程序能夠滿足加載方式多樣化的需求，可以從網(wǎng)絡(luò)（ TFTP）、SRIO、PCIe、SPI、EMIF等加載操作系統(tǒng)鏡像，且加載過程中用戶無需更改鏡像文件的格式。

除了多種功能外，還對加載時間進(jìn)行了測試，測試使用相同的鏡像文件，大小為1.2Mbytes，程序的代碼段放在DDR上，8核同時加載。實驗結(jié)果表明，加載時間優(yōu)于傳統(tǒng)的JTAG加載以及RBL的網(wǎng)絡(luò)等加載方式，具體的實驗數(shù)據(jù)參見表1。

某些特定領(lǐng)域?qū)Χ喙?jié)點DSP的加載時間有特殊要求，如多個節(jié)點（64或128個）同時加載，必須在很短的時間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)將操作系統(tǒng)完全加載成功，并且達(dá)到可用狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，RBOOT可以用并行化的方式從TFTP服務(wù)器加載程序，完全滿足多節(jié)點同時加載的性能指標(biāo)。

7 結(jié)束語

RBOOT作為一款可配置硬件參數(shù)和操作系統(tǒng)參數(shù)DSP的引導(dǎo)程序，非常適合于國產(chǎn)DSP操作系統(tǒng)的引導(dǎo)。和傳統(tǒng)的引導(dǎo)方式相比，不僅性能上有了顯著提高，而且提供了靈活的啟動方式，對于提高開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的研制周期有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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