璩澤旭,王 鵬,孫鈺林

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在航空、航天、武器等領(lǐng)域，越來越復(fù)雜的圖像處理需要并行化的處理系統(tǒng)，以滿足實(shí)時(shí)性要求。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的系統(tǒng)，高性能的FPGA+DSP架構(gòu)是目前常用的方案。由于單核的DSP性能已發(fā)展至極限，無法適應(yīng)復(fù)雜的并行算法，多核DSP應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前數(shù)字信號處理的發(fā)展方向。

TMS320C6678是基于KeyStone架構(gòu)，采用8個(gè)DSP內(nèi)核構(gòu)建而成，集成了320 GMAC定點(diǎn)計(jì)算或160 GFLOPS浮點(diǎn)計(jì)算性能，每個(gè)內(nèi)核工作頻率達(dá)到1.25 GHz，支持高性能信號處理應(yīng)用[1]。為了滿足不同應(yīng)用場合的需求，實(shí)現(xiàn)最大的設(shè)計(jì)靈活性。TMS320C6678支持的BOOT模式有SPI、I2C、PCIe、EMAC、SRIO和并口EMIF16 Nor Flash[2]。鄧豹[3]和劉章文等[4]提出針對C6678利用EMIF16(external memory interface，外部存儲器接口)的Nor Flash加載實(shí)現(xiàn)方法，但不能直接在軌應(yīng)用，存在單粒子翻轉(zhuǎn)可能。薛志遠(yuǎn)等[5]針對C6678多核的特點(diǎn)，提出了一種基于多核Bootloader的設(shè)計(jì)方法，側(cè)重于多核程序生成和Bootloader自啟動。而本文針對多核DSP的衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，解決空間單粒子翻轉(zhuǎn)問題，實(shí)現(xiàn)多核DSP在軌高可靠加載。

本文詳細(xì)研究TMS320C6678的加載模式和流程，并提出基于EMIF16的Nor Flash高可靠異構(gòu)加載方式，實(shí)現(xiàn)程序Bootloader上電啟動和任意時(shí)刻重啟動。經(jīng)測試驗(yàn)證，TMS320C6678能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。該方法支持在軌可重構(gòu)，加載不同的DSP軟件處理不同功能，實(shí)現(xiàn)軟件定義衛(wèi)星。

1 C6678加載方式

BOOT過程就是DSP的自動加載啟動過程，在上電或復(fù)位后，根據(jù)設(shè)定的不同的加載模式，將可執(zhí)行代碼自動加載到內(nèi)存中，并正確運(yùn)行程序的過程[6]?？蓤?zhí)行代碼可以存放在外部的非易失存儲器中(如I2C PROM、SPI FLASH等)，也可以存放在外部設(shè)備中，由通用接口(如SRIO、PCIe、HyperLink等)加載。DSP通過內(nèi)部集成的自動加載器(rom boot loader，RBL)來實(shí)現(xiàn)BOOT過程，默認(rèn)RBL只執(zhí)行核0(主核)[7]。

RBL就是固化在DSP內(nèi)部ROM中的軟件程序代碼，DSP在上電或復(fù)位后，由RBL負(fù)責(zé)自動加載/接收(外部或存儲器)傳送的應(yīng)用程序代碼，并跳轉(zhuǎn)到入口地址運(yùn)行程序。在C6678中，RBL存放在0x02B00000～0x02B1FFFF的128 KB空間內(nèi)[8]。

C6678啟動有兩種方式：主機(jī)啟動、存儲器啟動。主機(jī)啟動也叫從模式，通過其他處理器向DSP寫入代碼，完成加載。包括網(wǎng)口、RapidIO、PCIe等[9]。存儲器啟動也叫主模式，DSP主動從外部存儲器中存放的代碼搬到其內(nèi)部高速存儲器并且運(yùn)行。一般通過外掛在EMIF16或I2C總線接口的FLASH完成。由于C6678的配置程序較大，帶I2C接口的FLASH容量較小，不滿足大工程應(yīng)用。因此本文采用的存儲器啟動使用EMIF16接口方式加載[10]。

DSP的加載啟動模式通過外部的13個(gè)引腳BOOTMODE[12∶0]/GPIO[13∶1]復(fù)位時(shí)的硬件狀態(tài)來選擇[11]。BOOTMODE配置引腳中，BOOTMODE[2∶0]用于選擇啟動模式，BOOTMODE[12∶3]是根據(jù)設(shè)定的啟動模式，初始化相應(yīng)的配置參數(shù)和寄存器[12]。BOOTMODE引腳對應(yīng)不同的加載方式，啟動加載器的模式配置如表1所列。

表1 C6678 BOOTMODE引腳對應(yīng)的加載方式

2 硬件設(shè)計(jì)

EMIF16 Nor Flash模式是不用上位機(jī)參與、相對簡單、獨(dú)立成系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用此方式。EMIF16接口接FPGA，F(xiàn)PGA外掛Nor Flash。C6678的加載通過FPGA配合完成，C6678的程序存放在可靠性更高的Nor Flash中，并外掛在FPGA上。對應(yīng)的電路原理如圖1所示。

圖1 C6678加載的硬件原理Fig.1 Hardware principle of C6678 loading

與常用的DSP加載設(shè)計(jì)不同，本論文創(chuàng)造性提出DSP的EMIF接口與FPGA相連，F(xiàn)PGA與Nor Flash相連，通過軟硬件結(jié)合的方式，提高DSP程序可靠性。系統(tǒng)上電后先完成FPGA的配置加載，待FPGA加載成功后啟動DSP復(fù)位，并將EMIF接口與Nor Flash接口連通，讓DSP通過EMIF接口從Nor Flash中自動讀取DSP加載文件，實(shí)現(xiàn)DSP的自動加載。這樣做的好處主要有兩個(gè)，一是實(shí)現(xiàn)DSP程序在軌重構(gòu)功能；二是在空閑時(shí)可以對存放在Nor Flash內(nèi)部的DSP程序進(jìn)行RS編譯碼，針對空間單粒子打翻的Nor Flash程序進(jìn)行糾檢錯，并將譯碼后的結(jié)果重新寫入Nor Flash中，防止DSP程序SEU造成衛(wèi)星功能失效。

Nor Flash內(nèi)部分為多個(gè)區(qū)，主要存放DSP程序和智能處理DEM參數(shù)，本文主要介紹DSP程序。存放DSP程序分為功能1區(qū)、功能2區(qū)、上注1區(qū)和上注2區(qū)。其中上電后系統(tǒng)自動加載功能1區(qū)，通過指令可以切換加載功能2區(qū)或上注1區(qū)、上注2區(qū)，上注1區(qū)和上注2區(qū)用于在軌重構(gòu)，4個(gè)區(qū)的程序均可以在軌更新。

FPGA加載成功后狀態(tài)機(jī)開始工作，步驟如下：

1)先產(chǎn)生一個(gè)全局復(fù)位信號，對V7程序內(nèi)所有需要復(fù)位的狀態(tài)寄存器賦予初值；

2)全局復(fù)位結(jié)束后，進(jìn)入對DSP復(fù)位初始化狀態(tài)，產(chǎn)生DSP所需的POR、RESETFULL復(fù)位信號，使DSP完成全局復(fù)位；

3)初始化結(jié)束后，V7程序進(jìn)入配合DSP加載的狀態(tài)，將Nor Flash接口的操作權(quán)交給DSP的EMIF接口，同時(shí)等待DSP加載成功的反饋信號(檢測GPIO9和GPIO10信號)；

4)DSP加載成功后，進(jìn)入配合DSP的DEM參數(shù)讀取狀態(tài)；

5)DEM讀取結(jié)束后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，從DSP的EMIF接口中收回Nor Flash操控權(quán)，等待來自下位機(jī)的Nor Flash操作指令，根據(jù)指令對其進(jìn)行讀、寫、擦操作(RS編譯碼、回寫)。

FPGA控制DSP加載狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)時(shí)序如圖2所示。

圖2 DSP加載狀態(tài)機(jī)Fig.2 DSP loading state machine

3 程序設(shè)計(jì)

C6678為JTAG連接提供了專門的綠色通道，不管采用何種BOOT方式，當(dāng)仿真器連上時(shí)會自動Reset并從仿真器下載初始化代碼，即JTAG優(yōu)先級最高。調(diào)試C6678需要用到兩個(gè)主要的配置文件，一個(gè)仿真器配置文件ccxml和一個(gè)gel文件。其中ccxml是用來對仿真器和板參數(shù)進(jìn)行定義，當(dāng)連上仿真器并connect后可以確定JTAG掃鏈成功。gel文件包含基本的調(diào)試函數(shù)和Bootloader文件，用于仿真開發(fā)的初始化文件。在器件Reset后需要對硬件地址進(jìn)行確認(rèn)并完成內(nèi)存的初始化，不同的電路板對應(yīng)的gel文件不同，需要根據(jù)需求對其進(jìn)行參數(shù)修改。

程序讀入前要根據(jù)不同的BOOT方式進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換工具是將各核的.out文件轉(zhuǎn)換成.dat文件，主核BOOT之后再引導(dǎo)其他的從核。

C6678啟動軟件包括核0(也稱為主核)和其他7核的啟動。一般由主核啟動成功后，主核運(yùn)行應(yīng)用程序，對其他核依次寫入程序代碼，然后依次中斷其他核，讓其啟動。多核的啟動流程如圖3所示。

圖3 軟件處理流程Fig.3 Software processing flow

主核和其他核同時(shí)啟動，在啟動過程中，主核需完成向其他核寫程序代碼和中斷其他核這兩項(xiàng)工作，其中，主核向其他核寫入程序代碼涉及核間通信。C6678的每個(gè)核都有單獨(dú)的RAM空間，這些RAM空間也可以被其他核讀寫。需要注意的是兩個(gè)核或者多個(gè)核不能同時(shí)讀寫同一個(gè)地址空間，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀寫錯誤。為了避免這個(gè)問題，其他核在上電后，將一直處于IDLE狀態(tài)，IDLE狀態(tài)下不會對外設(shè)和片內(nèi)RAM資源進(jìn)行操作。主核對其他所有核依次寫入程序代碼，在主核對所有其他核完成代碼寫入后，主核依次快速地給其他核發(fā)出IPC中斷，其他核就逐一被啟動。主核給其他核按照先后順序發(fā)IPC中斷，在這個(gè)很小的時(shí)間差內(nèi)，首先被啟動的核不能讀寫另外核的RAM空間。因此其他核的程序代碼有一個(gè)延遲程序，該延遲程序執(zhí)行后，主核即可完成對其他核的啟動工作。

4 驗(yàn)證結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的DSP程序大小為512 KB，8個(gè)核總共大小為512 KB×8。選取的RS編譯碼為RS(144,128)，上注的DSP程序經(jīng)過RS編碼后的數(shù)據(jù)量為512 KB×8×144÷128=4 608 KB，其中原始程序?yàn)? 096 KB，校驗(yàn)碼為512 KB。每套DSP程序在Nor Flash中存放分布如圖4所示。

圖4 DSP程序在Nor Flash存放分布Fig.4 Storage and distribution of DSP programs in Nor Flash

為了驗(yàn)證本文提出的多核DSP加載方式，模擬衛(wèi)星在軌SEU效果，對寫入Nor Flash的DSP程序改寫不同位置的數(shù)據(jù)(包括校驗(yàn)碼)，模擬空間單粒子翻轉(zhuǎn)，上電自動啟動失敗。同時(shí)發(fā)送FPGA復(fù)位進(jìn)行DSP重加載，仍然啟動失敗。隨后發(fā)送FPGA編譯碼指令，對Nor Flash內(nèi)部存放的DSP程序進(jìn)行RS編譯碼后回寫，斷電后重啟，DSP上電啟動成功，同時(shí)發(fā)送FPGA復(fù)位指令加載DSP，DSP重加載成功。如圖5所示，GPIO_reg1[9]和GPIO_reg1[10]分別表示核1和核2成功返回的遙測(協(xié)議規(guī)定DSP啟動成功后通過GPIO管腳向FPGA間隔發(fā)送0、1數(shù)據(jù))。

圖5 DSP加載成功結(jié)果Fig.5 DSP load successful result

5 結(jié)論

本文提出的基于TMS320C6678多核DSP 中EMIF16主模式加載方式，介紹了C6678的加載模式和流程；給出了EMIF16 Nor Flash加載硬件設(shè)計(jì)原理和具體的軟件設(shè)計(jì)流程，以及具體的實(shí)現(xiàn)步驟。最后，在基于高性能的FPGA+DSP板卡上給出C6678的EMIF16自啟動試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了方案的可行性。本文將存放DSP程序的Nor Flash外掛到FPGA上，實(shí)現(xiàn)在軌可重構(gòu)功能，同時(shí)利用空閑時(shí)間對Nor Flash中DSP程序進(jìn)行RS編譯碼回寫，實(shí)現(xiàn)多核DSP加載的高可靠性，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。