陸平林

（數(shù)據(jù)通信科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100191）

0 引言

DSP在線升級(jí)是指脫離集成開發(fā)環(huán)境，利用DSP系統(tǒng)已有的通道，在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)DSP軟件進(jìn)行升級(jí)，在線升級(jí)大大提高了DSP系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展能力。DSP在線升級(jí)的一種方法是直接寫Flash[1]，DSP內(nèi)原有應(yīng)用程序加載到RAM上運(yùn)行，升級(jí)文件直接寫入Flash，覆蓋原有應(yīng)用程序，DSP復(fù)位后即可運(yùn)行新的DSP程序。這種方法簡(jiǎn)單易行，但可靠性差，一旦升級(jí)文件有誤，或升級(jí)過程中意外掉電，會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，需采用新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)可靠的在線升級(jí)功能。

實(shí)現(xiàn) DSP的可靠在線升級(jí)的基本思路是：把DSP程序分為固化的用戶引導(dǎo)程序 Userbootloader（區(qū)別于DSP廠商固化的bootloader）和可升級(jí)的應(yīng)用程序App，Userbootloader程序在最初用仿真器或編程器寫入，之后由 Userbootloader支持在線升級(jí)，有以下兩種方案：

第一種方案是采用乒乓存儲(chǔ)，原有DSP程序留有備份，升級(jí)程序和原有程序都存在Flash上，升級(jí)的同時(shí)在Flash置標(biāo)志位，重啟后Userbootloader通過讀取標(biāo)志，選擇加載App[2-4]。這種方法需要有多余的Flash空間，可能會(huì)增加硬件成本。

第二種方案是 Userbootloader直接將新應(yīng)用替換原有應(yīng)用，升級(jí)完成后，加載 App到 RAM，跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用入口執(zhí)行[5-6]。對(duì)于這種方案，通常對(duì)App的引導(dǎo)是在加載App代碼后跳到_c_int00[6]，但因?yàn)閁serbootloader和 App是兩個(gè)不同工程，這樣要求App工程在鏈接時(shí)，必須設(shè)置其_c_int00和Userbootloader工程的_c_int00運(yùn)行地址一致，同時(shí)，App的中斷向量表也需要進(jìn)行重新定向。

基于C6205DSP的PCI-E卡，采用上面的第二種方案，提出了一種在線升級(jí)方法，對(duì)App的引導(dǎo)是在加載 App代碼后，Userbootloader跳到地址 0開始執(zhí)行，對(duì)App沒有上述要求，提高了升級(jí)系統(tǒng)的通用性、靈活性和可維護(hù)性。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

升級(jí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為上位機(jī)應(yīng)用、API接口、PCI-E卡驅(qū)動(dòng)和PCI-E卡4個(gè)層次。上位機(jī)應(yīng)用和API接口運(yùn)行在用戶空間，上位機(jī)應(yīng)用包括升級(jí)程序和業(yè)務(wù)程序，API接口用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序調(diào)用的接口規(guī)范；驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間，提供了訪問硬件的接口。PCI-E卡插在上位機(jī)的 PCI-E插槽中，上位機(jī)應(yīng)用通過 API接口和PCI-E卡驅(qū)動(dòng)與卡通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

PCI-E卡硬件邏輯框如圖2所示，其核心采用TI公司的 TMS320C6205。C6205是一款高性價(jià)比DSP，有 64 kByte的片內(nèi)程序區(qū) IPRAM（地址0-0x10000）和64 kByte的片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)IDRAM，帶兩個(gè)多通道緩沖串行口MCBSP，支持4個(gè)通道的DMA，外部存儲(chǔ)器接口（EMIF，External Memory Interfaces）分成4塊空間CE0～CE3，通過EMIF總線，可以方便的擴(kuò)展外設(shè)。

按照硬件設(shè)計(jì)，DSP通過CE0連接SDRAM，通過CE1連接FLASH。其中FLASH大小為16 MByte，分為128個(gè)塊(BLOCK)，每個(gè)塊128 kByte，支持以塊為單位設(shè)置寫保護(hù)。由于CE1只有4 MByte空間，為支持訪問Flash全部空間，用CPLD控制Flash地址的高4 bit，F(xiàn)lash地址低20 bit和DSP直接相連。這樣把Flash空間分為16個(gè)窗口，每個(gè)窗口1 MByte。當(dāng)DSP要尋址Flash時(shí)，先向CPLD寫入窗口號(hào)，再在窗口內(nèi)取偏移。

DSP通過串口連接了 IC卡讀卡器，Userbootloader程序通過判斷IC卡類型可以決定是否進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。

FPGA和PCI-E接口芯片一起完成接口轉(zhuǎn)換工作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和DSP的通路。

硬件上將DSP配置成為從Flash啟動(dòng)方式。系統(tǒng)復(fù)位后，C6205自動(dòng)將Flash開始的64 kByte代碼拷貝到IPRAM，然后從IPRAM地址0開始執(zhí)行程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Flash存儲(chǔ)分配

Userbootloader和 App程序由兩個(gè)完全獨(dú)立的工程生成。最初在開發(fā)環(huán)境下用仿真器或 Flash編程器燒寫Userbootloader和初始的FPGA配置數(shù)據(jù)，以后App就由Userbootloader和上位機(jī)程序控制進(jìn)行升級(jí)。

Userbootloader從Flash起始地址0x1400000開始，DSP復(fù)位后首先運(yùn)行Userbootloader。Userbootloader和初始FPGA配置數(shù)據(jù)所在的Flash前1 MByte空間設(shè)寫保護(hù)，防止被意外寫壞。Flash結(jié)構(gòu)分配如圖3所示。

3.2 Userbootloader設(shè)計(jì)

PCI-E卡上電啟動(dòng)后，DSP加載運(yùn)行Userbootloader。Userbootloader本身大小不到64 kByte，可以不對(duì)自己做二次引導(dǎo)[7]。Userbootloader先進(jìn)行必要的硬件寄存器配置，然后讀取初始的FPGA配置數(shù)據(jù)配置 FPGA，以提供上位機(jī)到 DSP的通路。Userbootloader的流程如圖4所示。

DSP有兩種工作狀態(tài)，升級(jí)狀態(tài)和應(yīng)用狀態(tài)。Userbootloader檢測(cè)插入的IC卡類型，根據(jù)IC卡類型和對(duì)APP數(shù)據(jù)的校驗(yàn)結(jié)果來決定進(jìn)入的工作狀態(tài)。

未插入IC卡或插入的IC卡不是升級(jí)IC卡時(shí)，Userbootloader對(duì)App數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。若校驗(yàn)通過，Userbootloader從Flash地址0x150000開始拷貝App的前64 kByte（實(shí)際是0xFF00 Byte）到IPRAM，然后跳到地址0執(zhí)行App。App做二次引導(dǎo)，將自己的其余代碼拷貝到SDRAM運(yùn)行，這樣DSP進(jìn)入應(yīng)用狀態(tài)。應(yīng)用狀態(tài)下，DSP內(nèi)運(yùn)行的是App程序，由上位機(jī)服務(wù)系統(tǒng)發(fā)起應(yīng)用。

當(dāng)檢測(cè)到升級(jí)IC卡或者App校驗(yàn)不通過時(shí)，則進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。升級(jí)狀態(tài)下，DSP內(nèi)運(yùn)行的是Userbootloader程序，由上位機(jī)升級(jí)系統(tǒng)發(fā)起應(yīng)用。Userbootloader等待上位機(jī)的升級(jí)指令，接收到上位機(jī)的升級(jí)指令后開始升級(jí)，升級(jí)步驟如下：

1）擦除App。2）逐幀接收上位機(jī)發(fā)來的App數(shù)據(jù)，寫入Flash。3）接收上位機(jī)發(fā)來的 App校驗(yàn)值，用來校驗(yàn)寫入Flash的App。若校驗(yàn)通過，將校驗(yàn)值寫入Flash固定位置，升級(jí)完成，否則上位機(jī)需重新發(fā)起升級(jí)。

完成升級(jí)后，拔走升級(jí)IC卡，復(fù)位DSP，即可令DSP進(jìn)入升級(jí)后的應(yīng)用狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)Userbootloader加載功能時(shí)需要注意的是：1）先將App代碼數(shù)據(jù)從Flash讀到SDRAM，再將代碼從SDRAM拷貝到IPRAM。

2）數(shù)據(jù)從SDRAM拷貝到IPRAM必須用DMA，且此時(shí)DMA代碼必須放入IPRAM內(nèi)執(zhí)行[8]。

3）Userbootloader 沒有拷貝App前64 kByte的最后256 Byte，是因?yàn)閁serbootloader 的DMA代碼和最后的跳轉(zhuǎn)語句，放在IPRAM的最后256 Byte空間。代碼拷貝將Userbootloader的前面部分覆蓋，但不能將正在執(zhí)行的部分覆蓋，否則DSP運(yùn)行結(jié)果不可預(yù)料。

3.3 App開發(fā)要點(diǎn)

對(duì)App來說，Userbootloader對(duì)其做了DSP復(fù)位時(shí)硬件Bootloader做的動(dòng)作。App的啟動(dòng)過程和沒有Userbootloader時(shí)類似，前64 kByte也被加載到IPRAM，也從IPRAM地址0開始執(zhí)行，App的中斷向量表放在App的起始位置，運(yùn)行時(shí)中斷向量表從地址0開始，不需要重置。這樣App的開發(fā)和沒有Userbootloader時(shí)幾乎一致，原來沒有考慮在線升級(jí)的App可以很容易的改為支持在線升級(jí)，只需要注意以下幾個(gè)地方：

1）App作二次引導(dǎo)時(shí)，注意其起始Flash地址不是0x1400000而是0x1500000。

2）App前64 kByte的最后256 Byte沒有加載到IPRAM。不過未加載部分僅占 IPRAM 總?cè)萘坎坏?.4%，最后這部分的IPRAM App一般用不到。若App需要再利用這256 Byte，App可以自己將代碼數(shù)據(jù)拷貝到這塊區(qū)域。

3）根據(jù)需要，App的升級(jí)數(shù)據(jù)可以包括 FPGA配置數(shù)據(jù)，App可以在啟動(dòng)或其他適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)PGA進(jìn)行重新配置，App需定義好FPGA配置數(shù)據(jù)在Flash上的偏移位置。

4 結(jié)語

提出了一種對(duì)DSP程序進(jìn)行在線升級(jí)的方法，用Userbootloade模仿硬件bootloader對(duì)App進(jìn)行引導(dǎo)，對(duì)App的開發(fā)影響小，App不需要固定應(yīng)用程序入口_c_int00的地址，也不需要做中斷向量的動(dòng)態(tài)重定位。基于TMS320C6205的PCI-E卡，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在線升級(jí)系統(tǒng)。工程實(shí)踐表明，該升級(jí)方法簡(jiǎn)便可靠，可以為其他嵌入式處理器升級(jí)系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

在實(shí)際的類似應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可以不使用IC卡，例如可以設(shè)計(jì)Userbootloader啟動(dòng)后等待一段時(shí)間，若這期間接收到上位機(jī)發(fā)出的升級(jí)指令則進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)進(jìn)行升級(jí)。

[1] 任利民.基于PCI卡的DSP程序在線升級(jí)技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2003(12):114-116.

[2] 石乃軒,馮偉,王健,等.基于TMS320VC55x DSP 在線升級(jí)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43（07):236-238.

[3] 楊達(dá)亮,陳軍靈,張力成.DSP系統(tǒng)軟件在線升級(jí)機(jī)制的研究和實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表,2006,43(01):60-62.

[4] 孫亞萍,張慧熙.一種新型 DSP 軟件在線升級(jí)方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(05):72-74.

[5] 文軍,王加懂.DSP程序在線編程的研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2007(08):193-195.

[6] 李鵬.DSP在線升級(jí)與資源優(yōu)化再配置[J].計(jì)算機(jī)工程,2008,34（17）:225-226.

[7] Texas Instruments. Creating a Second-Level Bootloader for FLASH Bootloading on TMS320C6000 Platform With Code Composer Studio [DB/OL].(2006-05-01)[2011-3-20]. http://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/spra999a/spra999a.pdf.

[8] Texas Instruments.TMS320C620x/C670x DSP Program and Data Memory Controller/Direct Memory Access(DMA) Controller Reference Guide [DB/OL].(2004-09-09)[2011-3-20]. http://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/spru577a/spra999a.pdf.