dsp CMD文件的原理 经典.docx
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dspCMD文件的原理经典
CMD文件的原理玄德(网名)于2009年3月
一、前言
开发TI公司的DSP芯片,肯定要编写或者修改CMD文件,这是在单片机开发中
没有碰到过的新事物,也是学习DSP的难点。
面对里面种类繁多、名称各异、来历不明、
作用不清、功能千差万别的存储器、区域和变量、寄存器,初学者往往都会一头雾水。
甚
至很多人已经把项目成功地完成了,对CMD文件仍然是一知半解。
笔者也经历了极度困惑的过程,曾经大量地看书,下载资料,分析所能搜集到的
CMD源文件。
可惜的是,无论是TI公司的原始文档,还是网上的资料,或者BBS的帖子,
都没有透彻地说明CMD文件的原理和使用,只说“然”,要靠自己去体会“所以然”,去
“悟”。
终于有一天,我悟到了,也许只是“一些”。
现在,我把自己的“一些”写下来。
我将细致而通俗地说明CMD文件的原理,给您“鱼”,更给您“渔”,一步步地引导象我
当初一样的初学者。
我将以TI的2407为对象展开说明,对于TI公司其他型号、其他系
列的DSP,道理是完全相同的。
用时下学术界最最最流行的语式,叫做“基于2407”
——这个词起源于英文的“basedon”,或“somethingbased”,被我们大量地引用,以
至于令人反胃了——我们美妙、绚烂的语言,现在只剩下“基于”了。
笔者水平有限,但保证会用心去写,您会看到很多别处没有的思路和信息,相信会
基本打通初学者的任督二脉。
本文适用于那些有单片机的开发基础、刚开始学习DSP的
初学者。
如果你还不知道程序空间,数据空间这些名词,可能就比较困难了。
二、CMD文件的起源
在DSP系统中,存在大量的、各式各样的存储器,CMD文件所描述的,就是开发
工程师对物理存储器的管理、分配和使用情况。
有必要先复习一下存储器的知识。
目前的物理存储器,种类繁多,原理、功能、参
数、速度各不相同,有PROM、EPROM、EEPROM、FLASH、NANDFLASH、NORFLASH
等(ROM类),还有SRAM、DRAM、SDRAM、DDR、DDR2、FIFO等(RAM类)。
无
论多么复杂,从断电后保存数据的能力来看,只有两类:
断电后仍然能够保存数据的叫做
非易失性存储器(non-volatile,本文称为ROM类),数据丢失的叫做易失性存储器(本文
称为RAM类);ROM类的芯片都是非易失性的,而RAM类都是易失性的。
即使同为ROM类或同为RAM类存储器,仍然存在速度、读写方法、功耗、成本等诸多方面的差别。
比
如SRAM的读写速度,从过去的15ns、12ns,提高到现在的8ns、10ns,FLASH的读取
速度从120ns、75ns,到现在的40ns、30ns。
有没有人这样想过:
使用存储器的人,希望存在这样的区别吗?
或者说,理想的存储器,应当是什么样的?
…………
我们使用存储器时,如果没有人为地改变它,就希望里面的数据永远不要变,即使
断了电也要完好地保存;如果里面的内容是我不需要的或者不能用的,我自然就会给它写
入有用的内容,比如初始化。
理想的存储器就应当永远保存数据,无论掉电与否,而且,
希望读写速度为每秒无穷多字节,是0ns,而不是什么8ns,10ns。
——不是吗?
然而,人类实现存储器芯片的技术,还没有达到理想情况,所以才会有这么多类别。
“非易失”和“速度”就是一对典型的矛盾。
非易失的ROM类存储器,可以“永远”地
保存数据,但读写速度却很低,比如30ns;RAM的速度(8ns)一般都比ROM(30ns)
快得多,但却不能掉电保存。
这是很无奈的现实。
假如有那么一天,ROM类的读写速度
和RAM一样快,或者RAM也可以掉电保存数据,就不存在易失和非易失的区别了,那将
是革命性的进步。
那时,智能芯片和智能系统的设计将会有很大的变化,编写CMD文件
就会很简单,甚至不需要了。
已经有芯片厂家做了一些这方面的工作,比如把电池和RAM结合起来,就是一个
能掉电保存的RAM。
它既可以作为传统的ROM使用,又可以当RAM使用。
但这显然只
是一个暂时、折中的方法,其原理、成本、体积、容量还不如人意,不能算是“革命性”
的进步。
我们平时在用到存储器的时候,要考虑哪些因素呢?
首先必须确认,在你的使用场合,是要永久保存数据,还是暂时保存?
这关系到选
择非易失性,还是易失性存储器的大问题,是首要的问题。
在某些场合,如果必须永远地
保存数据,即使希望速度快一些,也只能选择非易失的ROM类存储器,而把速度问题放
在其次,或者另外想办法解决;另外一些场合,却要把速度放在第一位,只要在通电期间
能够始终保存数据,就够了,当然就要选择RAM类的存储器了。
这两种情况我们都会遇到:
程序代码一般都要存储在ROM类存储器中,否则,从
设备生产开始,储存、运输,一直到用户手里,要必备不间断电源,还要保证不发生断电
的意外;程序运行的时候,为了提高速度,就必须在RAM中运行,试想想,如果你的MP4
放电影一停一顿的,谁还会用它看电影呢?
所以ROM和RAM都是必不可少的,各有各的用途,而且,出于功能、参数、速度、读写方法、功耗、工艺、成本等方面的考虑,往
往要同时使用不止一种存储器。
事实上,TI在设计DSP芯片时,也遇到同样的问题,TI考虑的情况要比我们更多,
更复杂。
要知道,设计芯片的人是最牛X的,开发工程师只是跟在人家后面,在人家规定
的框框里亦步亦趋。
翻开DSP的PDF文档,找到memorymap就会看到,芯片上集成了
形形色色的存储器:
FLASH、ROM、BROM、OTPROM,SRAM、SARAM、DARAM、
FIFO等。
就2407和2812而言,如果是做个流水灯之类的小东东,DSP芯片加晶体加电
源就可以了,片上集成的ROM和RAM,在仿真状态下已经足够用了,烧写并脱离仿真器
运行也足够。
所以,它们的最小系统不需要外扩任何存储器。
但也只能做简单的东东,往
往还需要外扩一些ROM和/或RAM存储器,才能委以大用。
(顺便说一句,DSP的最小
系统,要比8951芯片的最小系统大得多。
)
千万不要被这些存储器的名称所迷惑!
翻来覆去,其实就是两大类:
非易失和易失。
初学者往往忽略了这一点。
两大类!
记住这一点,CMD文件就是以这两类存储器为主轴,然后展开的。
DSP芯片的片内存储器,只要没有被TI占用,用户都可以全权支配。
TI设计了“CMD
文件”这种与用户的接口形式,用户通过编写CMD文件,来管理、分配系统中的所有物
理存储器和地址空间。
CMD文件其实就是用户的“声明”,包括两方面的内容:
1、用户声明的整个系统里的存储器资源。
无论是DSP芯片自带的,还是用户外扩
的,凡是可以使用的、需要用到的存储器和空间,用户都要一一声明出来:
有哪些存储器,
它们的位置和大小。
如果有些资源根本用不到,可以视为不存在,不必列出来;列出来也
无所谓。
2、用户如何分配这些存储器资源,即关于资源分配情况的声明。
用户根据自己的
需要,结合芯片的要求,把各种数据分配到适当种类、适当特点、适当长度的存储器区域,
这是编写CMD文件的重点。
用户编写完自己的程序以后,要经过开发环境(编译器)的安排和解释(即编译),
转换为芯片可以识别的机器码,最后下载到芯片中运行。
CMD文件就是在编译源程序、
生成机器码的过程中,发挥作用的,它作为用户的命令或要求,交给开发环境(编译器)
去执行:
就这么分配!
下面将从这两个方面入手,详细说明如何编写CMD文件。
三、编写CMD文件之——资源清单如上文所述,CMD文件包含两大内容,首先就是存储器的资源清单,或者说,系
统中(电路板上)可用的存储器资源。
TI规定,CMD文件的资源清单用关键字“MEMORY”作为标识,具体内容写在后
面的大括号{}里面。
如下面的形式:
MEMORY
{
PAGE0:
xxx :
org=0x1234, length=0x5678 /*Thisismyhouse.*/
PAGE1:
aaa :
org=0x1357, length=0x2468 /*Myhomehere.*/
}
其中,MEMORY,PAGEn,org,length,包括冒号、等于号、花括号,都是关键
字符,必不可少。
PAGEn表示把可用的资源空间再划分成几个大块,最多允许分256块,从PAGE
0到PAGE255。
如果把MEMORY比作图书馆,PAGEn就是其中的“社科类”、“工程类”、
“外文类”等。
大家都习惯于把PAGE0作为程序空间,把PAGE1作为数据空间。
如果
你很好奇,也可以试试别的数字。
凡智能芯片,都离不开这两种“空间”,大名鼎鼎的冯·诺
依曼结构和哈佛结构,都是建立在程序空间和数据空间两种结构的基础上,我们面对的
DSP也是如此。
只要学习过单片机,就很容易理解。
如果你构思出第三种结构,恭喜您,
您将与这二位齐名了。
CMD文件中还可以写上注释,用“/*”和“*/”包围起来,但不允许用“//”,这一
点和C语言不同。
上面的例子,仅仅就是个“例子”,不针对任何特定的芯片。
带注释的语句有两行,
每一行都是一项声明,表示在程序空间或数据空间下,再细分更小的块,好比是“社科类”
又分了几个书架。
比如
xxx:
org=0x1234,length=0x5678
表示在程序空间PAGE0里面,划分出一个命名为xxx的小块空间,起始地址从存储单元
0x1234开始,总长度为0x5678个存储单元,地址和长度通常都以十六进制数表示。
所以,
xxx空间的实际地址范围从0x1234开始,到0x1234+0x5678–1=0x68AB结束(起始
地址加长度再减一),这一段连续的存储区域,就属于xxx小块了。
上面的例子中,PAGE
0和PGAE1各包含了只有一个“小块”,用户可以根据自己的情况,按照同样的格式任意
增加。
在支持多个CMD文件的开发环境里,某个或某几个CMD文件中,“小块”的数量
可以为0,也就是说,关键字PAGE0或PAGE1下面,可以是空白的。
但不允许所有的
CMD文件的同一空间都是空白。
另外,没有资料提到过“小块”数量上限的限制,需要去查阅文档或咨询TI公司。
很多关键字,还允许有别的写法,比如“org”可以写为“o”,“length”可以写为
“len”。
这些规定和其他细节,可以去查阅TI的pdf文档,一般叫做“xxxxxAssembly
LanguageToolsUser'sGuide.pdf”,汇编语言工具指南,xxxxx是芯片的型号或系列。
但
这个文档不适合初学者。
实践证明,至少对于C2000系列的2407和2812而言,存储单元的单位是“字
word”,即16bit。
但TI的文档却说是“字节byte”,应当是TI写错了。
要特别注意以下几点:
1、必须在DSP芯片的空间分配的架构体系以内,分配所有的存储器。
这里举两个
例子:
a、对于2407,程序空间和数据空间都是从地址0x0000到0xFFFF,最大数
值是四个F,共64K字范围。
所以,2407的CMD文件中不能出现五位数的地址,也不允
许任何一个小块空间的地址范围覆盖到64K以外的区域,因为2407根本就无法控制这些
区域,或者说不能访问、无法寻址。
要注意,起始地址和长度不要算错了。
2812也有同样
的问题。
b、2407的数据空间里,0x0100~0x01FF和其他几块区域,是TI声明的保留
空间(Reserved或illegal),也是芯片无法访问的,分配资源的时候不能涉及到这些区域。
同样地,2812的程序空间和数据空间,都有大片的保留区域,不能使用。
2、每个小块的空间,必须是一片连续的区域。
因为,编译器在使用这块区域的时
候,默认它是连续的,而且每个存储单元都是可用的。
3、同一空间下面,任何两个小块之间,不能有任何的相互覆盖和重叠。
在外扩存储器时,要保证片外的存储空间之间,特别是片外与片内的存储空间之间,
不要发生冲突。
有些空间,已经被DSP芯片的内部存储器占用了,用户是不可更改的,
或只能通过模式配置,在一定范围内改动,用户自行扩展存储器时,要避开这些地方。
4、用户所声明的空间划分情况,必须与用户电路板的实际情况相符合!
对于用户自制的电路板,这是很容易出错的地方,通常会出现两种错误:
a、在设计硬件电路的时候,通常用CPLD作为片外存储器的选通信号,用
verilog或者VHDL进行编程;也有用74或4000系列芯片来搭建的,已经很少了。
如果
CPLD逻辑出错,或者逻辑并没有真正写入CPLD芯片里面,即使CMD文件是正确的,
即使编译已经通过,在仿真下载或者烧写的时候,PC机都会报错而无法继续操作。
b、电路板有虚焊的地方,主要发生在DSP芯片的管脚、电平转换芯片的管脚,及片外存储器的管脚上。
这种情况,效果等同于上面所说的CPLD逻辑错误。
更要命的是,
补焊一次、两次甚至几次,虚焊仍然存在,这最容易把人搞糊涂了。
笔者就经常遇到这样
的事情。
出现这些硬件错误时,初学者往往不能正确地对故障作出定位,一会儿认为CMD
文件有问题,一会儿觉得硬件电路有问题,反复地折腾,最后陷入迷茫。
这时,一定要保
持清醒的头脑:
先检查原理设计;再检查硬件电路板,保证逻辑正确,焊接可靠;最后再
去检查CMD文件。
5、一般地,初学者会找一些现成的CMD文件来用,一点改动都不敢。
其实,胆
子可以大一些,改一改,试一试,没什么大不了的。
想学会游泳,必须要下水。
DSP芯片
上的存储器,只要没有被TI用作专门的用途,用户都可以全权支配。
空间的划分,是由用
户决定的,可以根据需要,甚至个人的喜好来划分,名称也可以随意起,和C语言的变量
名一样。
这里应当举一个CMD文件资源声明的例子,但为时过早。
资源声明常常与资源分
配是密切相关的,笔者把例子放在下一节,与资源分配一起详细说明,效果会好一些。
四、编写CMD文件之——资源分配
系统资源已经声明完了,现在就要说明,用户是如何分配这些存储器资源的,即向
编译器声明资源的分配情况。
要合理地分配存储器资源,首先要搞清一个问题:
资源要分配给谁?
有哪些东东需
要占用存储器?
我们来看下面这段不严格的C程序:
main()
{
unsigned int i;
i++;
}
这“段”程序只是笔者建立的一个模型,用它来代表几乎所有的程序:
哪怕变量(包
括数组)有一千个、一万个,都用一个“i”来代表;哪怕程序主体包含了各种搬移、运算、
逻辑等动作,哪怕有一万行那么长,都用一句“i++”来表示。
让我们站在TI公司和编译器的角度,来考虑下面的问题:
程序经过编译以后,会
产生哪些对存储器资源有要求的“状况”?
有单片机开发经验的人都知道,至少要产生两种情况:
1、指令码,即二进制形式的指令,需要占用芯片的“程序空间”。
这些数据,完全等价于或等同于用户编写的程序,只是转换成了另一种形式而已。
这种“数据”有两个特
点:
a、只要用户程序编写完成,这些“数据”就已经是可知的、可预期的,是由用户编
写的程序代码和编译器共同决定的。
b、在系统运行过程中,这些数据的内容不会发生任
何变化,只会被读取,不会被修改。
2、在运行过程中,动态变化的“量”,需要占用“数据空间”。
上面例子程序中的
变量i,就属于这种情况。
这些数据,在设计师编写程序的时候,有时会预先写入具体的
数值,即初始化,有时甚至根本不需要进行初始化。
在运行过程中,既要被读取,又会被
改写,经常在变化。
设计师自己也很难确切知道,在某一时刻,这些数据的具体的数值是
什么,最多只知道它们的位数、最大和最小值的范围。
那么,什么样的物理存储器适合于数据空间使用,什么样的存储器适合于程序空间
使用呢?
对于数据空间,其最基本、最首要的要求是速度快,并不要求掉电保存数据的能力,
显然应当由RAM类存储器来承担,所以,RAM一般都必不可少。
但是,并不是说数据空
间只能连接RAM芯片,只要你能够接受比较慢的速度,并且安排好芯片的控制时序,你
完全可以在数据空间扩展ROM类存储器。
程序空间的代码数据,一般都要求掉电保存,只能由ROM来承担,所以ROM必
不可少。
那么,ROM的读取速度慢的问题,怎么解决呢?
对于有些低速的智能芯片,ROM
的速度慢一点,是完全可以接受的,可以直接从ROM中读取代码指令,然后译码、执行;
我们熟悉的MCS51、PIC系列单片机,都是这么做的(以下信息笔者不能保证正确性:
2407脱离仿真器运行时,似乎也是直接从ROM中读取程序代码)。
另外有一些低端的智
能芯片,生产商通过特殊的技术手段,在一定范围内等效地提高内部程序ROM的读取速
度,比如NXP公司的ARM芯片LPC213x,虽然ARM内核的数据接口只有32位,但
LPC213x的片内FLASH程序存储器,与内核之间的接口居然是128位宽度,通过所谓“加
速器”相连接。
对于高速的智能芯片,从ROM直接读取代码并执行,已经不能满足速度
的要求了,通常的解决方法是,把程序代码储存在ROM中,在每次上电运行时,通过“引
导程序”把用户代码读出并保存在RAM中,然后从RAM中运行,这样做既解决了ROM
速度慢的问题,又解决了RAM掉电丢失数据的问题。
实际操作中,并不是只有指令码和变量i这么简单,除这两项以外,还会出现很多
小“状况”;而且,当芯片型号不同,甚至用户源程序不同时,出现的细节也是变化的。
恰
恰就是这些变化,导致CMD文件变得复杂。
但是,任何大“状况”、小“状况”,都归属于对程序空间和数据空间的操作,不存在第三种空间。
(有些DSP的所谓“IO空间”,实质上是数据空间的一个变种,但又脱离
了数据空间,不属于CMD文件考虑的范围。
)
编写CMD文件,就是要搞清楚以下情况,并对编译器做出声明:
1、你的系统都有哪些存储器资源?
2、哪些存储器安排在程序空间,哪些在数据空间?
3、你的系统会产生哪些大“状况”和小“状况”?
4、哪些状况属于程序空间,哪些属于数据空间?
5、程序空间的“状况”如何安排在程序空间的资源里,数据空间的“状况”如何
安排在数据空间的资源里?
笔者想从事情的起源入手,逐步引导初学者自己去发现“资源要分配给谁?
有哪些
东东需要占用存储器?
”这个问题的答案,所以使用了一些不正规的术语,比如“状况”
这个词。
让我们从一个实际使用过的2407芯片的CMD文件来展开说明,其他DSP芯片的
CMD文件与此大同小异:
/**********************************************************************************************/
-stack200h /*#1 */
/**********************************************************************************************/
MEMORY /*#2 */
{
PAGE0:
VECS :
origin=0000h,length=0040h /*中断向量 */ /*#3 */
PROG :
origin=0100h,length=7F00h /*片上FLASH */ /*#4 */
PAGE1:
B2 :
origin=0060h,length=0020h /*DARAMB2块*/ /*#5 */
B0B1 :
origin=0200h,length=0200h /*DARAMB0块*/ /*#6 */
SARAM:
origin=0800h,length=0800h /*SARAM块 */ /*#7 */
ExtSRAM:
origin=8000h,length=8000h /*外部存储器 */ /*#8 */
}
/**********************************************************************************************/
SECTIONS /*#9 */
{
.vectors:
>VECS PAGE0 /*中断向量表 */ /*#10*/
.text :
>PROG PAGE0 /*代码 */ /*#11*/
.cinit :
>PROG PAGE0 /*#12*/
.bss :
>SARAMPAGE1 /*#13*/
.stack :
>B0B1 PAGE1 /*#14*/
.extdata:
>ExtSRAMPAGE1 /*#15*/}
/**********************************************************************************************/
下图是2407芯片的空间分配情况(MemoryMap),是从2407的数据手册直接复
制过来的:
#2行至#8行,MEMORY {……}部分,就是上一节我们已经说明的,系统可用
资源的声明,包括程序空间PAGE0和数据空间PAGE1两部分。
程序空间PAGE0,又分为VECS区域和PROG区域。
#4行所声明的PROG区域,是为用户指令码分配的存储空间,这部分空间一般都很大(比如0x7E00h)。
相当于PROG用户指令码区域,#3行声明的VECS区域是一个特殊的“小状况”,
TI在设计2407的硬件电路时,用这块区域来保存各种中断服务程序的入口地址,即中断
向量,与硬件电路挂钩,不能与一般的程序代码相混杂,所以要单独声明。
按照芯片手册
的说法,0x0000至0x003F共0x40个存储器单元