А. Юдин

DSM - cистемная память для процессоров Analog Devices (по материалам STMicroelectronics)

Компания STMicroelectronics разработала и предлагает потребителям первую в мире системную память (DSM), чип которой обеспечивает законченное системное решение памяти с внутрисистемным программированием для цифровых сигнальных процессоров (DSP) Семейства ADSP-218X компании Analog Devices.

Разработанное в тесном сотрудниче стве с компанией Analog Devices, устройство DSM2180F3 объединяет довольно большую Flash память, программируемое логическое устройство (PLD), порты ввода - вывода, необходимый интерфейс и логические функции, что обеспечивает законченное системное решение памяти для DSP Семейства ADSP-218x. Первая микросхема в семействе DSM устройств, DSM2180F3, имеет Flash память с внутрисистемным программированием (ISP) через JTAG интерфейс, что позволяет легко конфигурировать систему без дополнительных паек или объединять с помощью интерфейса логику, эффективно сокращая тем самым время продвижения на рынок и полные системные затраты.

У DSM2180F3 128KБит Flash памяти, что достаточно для многократных итераций кода программы и/или для расширения памяти данных. Память конфигурирована на восемь секторов по 16KБит каждый. Объединение на одном кристалле памяти, дешифратора и регистра страниц позволяет DSP обращаться к Flash памяти либо в режиме прямого доступа к байту памяти (DMA), что обеспечивает высоко эффективный путь чтения больших блоков Flash памяти (например, для загрузки внутреннего SRAM DSP с кодом и данными при включении питания), либо как к внешней памяти оверлея данных, что является более эффективным для записи Flash памяти. Кроме этого, DSM2180F3 имеет отдельный сектор Flash памяти размером в 16KБит, что соответствует размеру внешнего окна оверлея данных DSP. Этот сектор может использоваться для эффективного управления данными, в то время как встроенный регистр страниц обеспечивает DSP возможностью обращения к полному 128KБит пространству Flash памяти. Это позволяет процессору использовать Flash память с максимальной эффективностью при обновлении кода на месте нахождения изделия или обновлении параметров и других данных.

Учитывая популярность процессоров Analog Devices Семейства ADSP-219x, STMicroelectronics предлагает для этого Семейства совместимое устройство DSM2190F4. В отличие от DSM218х, это устройство имеет второй дуальный массив Flash памяти, что расширяет возможности DSP.

Вместе с тем, второй (вторичный) массив Flash имеет довольно маленький размер сектора (8КБ x 8), что ограничивает области и примеры его использования. Видится только несколько вариантов его применения:

• Для хранения параметров.
• Для программного обеспечения эмуляции EEPROM.
• Для хранения кода инициализации в одном или нескольких секторах вместо основной Flash памяти. При этом, индивидуальные сектора могут быть защищены от считывания.
• Для организации параллельной работы массивов памяти. В данном случае DSP может функционировать от одного массива, в то время как второй стирается и повторно перепрограммируется.
• Для объединения с основной Flash памятью с целью получения 288КБ общего пространства Flash памяти.

Как правило, DSP выполняет код от быстрого, внутреннего SRAM. До тех пор пока SRAM энергозависима, код необходимо предварительно загрузить во время начальной загрузки. Для этой цели типично используется Flash память. DSM устройства могут не только удовлетворить это требование, но и предоставить множество дополнительных возможностей (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. а) Типичный DSP процессор с Flash памятью б) DSP процессор с DSM системной памятью для начальной загрузки

Программируемая логика общего назначения (PLD) включает более 3000 логических ячеек, 16 входных и 16 выходных макроячеек. PLD универсально и предназначено для осуществления функций типа выбора чипа для внешних устройств, конечных автоматов, счетчиков, вспомогательной клавиатуры и интерфейсов пульта управления, делителей, линий задержки и мультиплексоров, устраняя при этом потребность во внешних PLD и логических устройствах.

16 выходных макроячеек могут использоваться индивидуально или комбинированно с образованием гибкой логики. 16 входных макроячеек могут использоваться, например, для создания условия согласования сигналов, поскольку они стоят на входе микросхемы. Более важно, что PLD, размещенное на кристалле DSM устройства, устраняет потребность в дополнительных внешних логических устройствах типа PLDS (22V10), PAL (20L8), и-или 74xxx логики (74HC374, и т.д.). Логический вход довольно просто обеспечивается при конфигурировании системы с использованием программного обеспечения Экспресс PSDsoft.

16 дополнительных контактов ввода - вывода общего назначения, имеющихся на DSM устройствах, больше чем вдвое увеличивают возможности ADSP-218X DSP проектов по характеристикам системы ввод - вывод. Теперь большее количество периферии может управляться без увеличения количества микросхем. Cостояние каждого контакта ввода-вывода может управляться программным обеспечением DSP или логикой PLD DSM, а конфигурация контактов ввода-вывода программируется JTAG ISP точно так же как и Flash память.

Flash память, PLD и конфигурация системы ввода - вывода программируются через JTAG внутрисистемный программирующий (ISP) интерфейс, который обеспечивает быстрый прямой доступ к Flash памяти программы на сборочной линии, что уменьшает время разработки, упрощает производственный процесс и уменьшает стоимость обновлений приложений. Поскольку JTAG ISP осуществляется без привлечения DSP, схема сетевой платы может быть собрана с пустыми устройствами и запрограммирована в конце сборочной линии. При этом устраняется потребность в дорогостоящих гнездах, в предварительном программировании, предварительной разметке и трассировке памяти, логических устройствах, обеспечивая своевременное производство по заказам пользователей.

JTAG интерфейс устройства DSM2190F4 совместим с портом отладки JTAG ADSP-2191 DSP (см. рис. 2).

Рисунок 2. JTAG интерфейс

JTAG ISP уменьшает время разработки проекта, позволяя быстрые итерации кода DSP при разработке проекта с реконфигурацией элементов и модификаций кода программы готовых изделий, все выполненяется через недорогой FlashLINK JTAG ISP программатор, который подключается к любому PC через параллельный порт портативной ЭВМ.

Система защиты бита обеспечивает блокировку доступа к Flash памяти DSM от устройств программирования и считывания, позволяя доступ только для DSP. Это уменьшает возможность неправомочного копирования. Единственный способ взлома системы защиты - это стирание всего чипа и перепрограммирование устройства. Кроме того, каждый отдельный сектор Flash может быть защищен индивидуально, что и делается для дополнительной защиты кодов начальной загрузки.

DSM2180F3 обеспечивает удачное решение для изделий, которые имеют ограничения на размер, потребление энергии и уровни электромагнитных излучений. Flash память и логика, обеспеченная DSM устройством имеют “спящий режим” потребления энергии. Они автоматически переходят к резервированию питания в промежутках между доступом памяти или логическими входными изменениями, переходя на низко активные и резервные режимы питания. Дополнительно, с целью уменьшения потребления энергии программируемый модуль управления питанием обеспечивает управление скоростью PLD. Потребление тока 25µA в резервном режиме при напряжении питания 3.3V делает их идеальными устройствами для изделий с батарейным источником питания.

Однокристальная конфигурация DSM2180F3 решения выполнена с удобным в работе средством развития проекта и программным обеспечением, которое является бесплатным и свободно загружаемым с web сайта: www.psdst.com/html/softcenter2.html. Программное обеспечение обеспечивает постепенное руководство проекта, которое уменьшает время разработки с нескольких дней до нескольких часов. Только что корпорация представила и инструментальное средство разработки - "Систему развития под ключ", называемого DK2180 для ADSP-218X и DSM2180F3. Это законченное решение с программными и инструментальными средствами развития проекта для Analog Devices.

STMicroelectronics - всемирно известная компания по производству электронных компонентов. Продукцией компании торгуют на Нью-Йоркской Фондовой бирже, на Парижской и на Mиланской Фондовых биржах. Компания проектирует, развивает, производит и продает широкий диапазон интегральных полупроводниковых схем (ICs) и дискретных устройств, используемых в широком разнообразии микроэлектронных приложений, включая системы телесвязи, компьютерные системы, изделия широкого потребления, автомобильной электроники и индустриального контроля.

Особенности подключения DSM2180F3 к ADSP-2185

Рассмотрим общие рекомендации по соединению DSM2180F3 и ADSP-218X DSP. На более детальные вопросы применения ответ можно получить, используя комплект развития DK-2180, который высвечивает многие из особенностей DSM и ADSP.

"PSDsoft Express" - программный инструмент развития, который разработан под Windows специально для развития DSM семейства. Этот инструмент позволяет конфигурировать DSM с использованием простого интерфейса "выбор пункта - клик". Среда разработки интегрирована с программой загрузки DSP и позволяет создавать программный файл данных (.obj) к программе DSM. Следует отметить, что программное обеспечение постоянно совершенствуется и это находит отражение на сайте компании. В настоящее время свободно доступна версия программного обеспечения “PSDSoft Express 7.03”, дистрибутив которой имеет объем в 15 МБайт памяти, что надо учитывать при перекачке.

Созданный файл программных данных преобразуется в программу DSM с использованием одного из программаторов фирмы STMicroelectronics (PSDpro или FlashLINK) или программаторов других фирм, список которых можно найти посетив www.psdst.com/html/psdprog.html.

Блок-диаграмма внутренней архитектуры микросхемы DSM2180F3 изображена на Рис. 3.

Рисунок 3. Диаграмма DSM2180F3

Данная микросхема включает в себя ключевые элементы, позволяющие разработать проект DSP на основе системы из двух чипов. Основными особенностями DSM можно считать:

• непосредственное подключение к DSP, что обеспечивает легкость добавления к DSP памяти, логики, и контактов ввода - вывода;
• 128 КБит главной Flash памяти, разделенной на восемь равных, индивидуально защищяемых секторов;
• программируемое логическое устройство (PLD) с 16 макроячейками вывода и 16 входными макроячейками;
• PLD общего назначения, которое является конфигурируемым под выбираемый внешний чип, или под комбинаторную логику;
• 19 индивидуально конфигурируемых контактов порта ввода - вывода. Каждый может быть определен как вводы - выводы DSP, вводы - выводы PLD, закрытые выводы адреса DSP, или специальные функциональные вводы - выводы;
• 8-разрядный регистр страниц для расширения внешнего адресного пространства и обеспечения подкачки памяти;
• удобный JTAG последовательный порт для внутрисхемного программирования (ISP) чистых микросхем и их перепрограммирования в готовых изделиях.

Процессор ADSP-2185 имеет следующее особенности:

1. встроенный 8-разрядный автоматический загрузчик Начальной загрузки через DMA интерфейс или порт памяти;
2. 80 КБит оперативной памяти конфигурируемой как:
   • 16 KСлов (24-разрядная) оперативная память (RAM) для хранения программы
   • 16 KСлов (16-разрядная) оперативная память (RAM) для хранения данных
   • программная память двойного назначения: для команд и хранения данных.

Для этого проекта выбрана дешевая микросхема DSM2180F3 с целью использования ее преимущественно как резидентного загрузчика начальной загрузки ADSP-2185. Flash память DSM применяется при этом для хранения разгружаемого кода программы ADSP-2185.

На Рис. 4 изображена упрощенная схема проекта использования основной системы DSM2180F3/ADSP-2185 в виде комбинации их двух чипов. Вся встроенная логика, Flash память, логика интерфейса шины, порты ввода-вывода, выбор памяти, и программируемые логические устройства входят в состав микросхемы DSM.

Рисунок 4. Упрощенная схема соединения DSP c DSM

Так как процессор ADSP218X выбирается при использовании специализированного программного обеспечения в "PSDSoft Экспресс", то интерфейс шины пред-конфигурирован так, чтобы не было даже возможности сделать ошибку в процессе конфигурации. В таблице 1 представлены стыковочные сигналы шины от процессора ADSP-2185, использующего обращение к Flash памяти, PLD логику и порты ввода-вывода DSM2180F3. Эти сигналы автоматически конфигурируются при выборе в "PSDSoft Экспресс" процессора ADSP-218X.

Таблица 1. Функции контактов шины интерфейса ADSP-2185 / DSM2180F3

На Рис. 5 показана диаграмма примера схемного решения подключения DSM2180 к ADSP-218X.

Рисунок 5. Пример схемного решения подключения DSM2180F3 к ADSP-218x

В то время как таблица 1 показывает основные требуемые подключения для любого проекта, схемное решение показывает дополнительные сигналы и функции, которые могут быть типичны для разнообразных проектов. А именно, здесь были добавлены следующие сигналы (см. табл. 2).

Таблица 2. Дополнительные (необязательные) используемые сигналы ADSP-2185 / DSM2180F3

Примечание: схемное решение демонстрирует не только основные подключения для ADSP-218X, типа системного ввода сброса процессора и DSM2180F3, но и дополнительные необязательные подключения, типа ввода - вывода и JTAG.

Особенности использования программного обеспечения

Рассмотрим последовательность проектирования с использованием программного обеспечения “ PSDSoft Express”, которое предлагает совершить несколько довольно простых шагов для конфигурирования системы. Данные шаги отображаются в главном окне рассматриваемого Приложения, представленном на рисунке 6.

Рисунок 6. Главное окно "PSDSoft Express"

• Вызовем "PSDSoft Express" и откроем Новый Проект.
• Запустим "PSDSoft Express".
• Создадим новый проект (см. рис. 6).
• Выберем свою проектную папку, и дадим название проекту (в данном примере, назовем проект "DSM2180" в папке "PSDsoft\my_project").

Выбор MCU и PSD

В окне "Новый Проект" щелкнем "OK" в пункте меню "Выбор MCU и PSD". В результате появляется сответствующий экран (Рис. 7). Увидев этот экран, сделаем следующие шаги:

Рисунок 7. Определение DSM и MCU/DSP в "PSDsoft Express"

Шаг 1. Выбор процессора или микроконтроллера

Выберем в качестве изготовителя Analog Devices, а для типа процессора ADSP 218x. Сигналы управления выбираем по своему усмотрению.

Шаг 2. Выбор микросхемы DSM

В соответствующих окошках выбираем DSM2180, DSM2180F3 для номера партии, а корпус, например, типа K.

Шаг 3. Выбор параметров процессора (или микроконтроллера).

Для установления выбранных параметров MCU/DSP достаточно щелкнуть "OK".

Теперь мы имеем проект предусматривающий совместное использование DSM2180F3 и ADSP-2185.

Если в основном меню выбрать пункт "Параметры Проекта" и в открывшемся экране выбрать "Выбор шаблона примера использования" и щелкнуть "OK", то разрабатываемый проект в дальнейшем можно будет использовать в качестве готового шаблона или выбрать имеющийся шаблон в экране "Выбор шаблона MCU".

В данном случае выберем "Применение 076, DSP загрузчик" и щелкнем "Generate". В результате получаем автоматическую установку дополнительных контактов, описанных в таблице 2 и соответствующих карте памяти, описанной далее.

Выбор и определение функций контактов ввода-вывода.

Функции контактов ввода-вывода должны соответствовать рисунку 8 и определены согласно схемного решения, показанного на рисунке 5. На данном экране мы можем добавлять или обновлять (модифицировать) функциональные возможности контакта по желанию. После завершения описания функций контактов ввода-вывода щелкнем "Next > >", и появится новый экран "Помощник проектировщика", который будет рассмотрен в следующем разделе.

Рисунок 8. Определение функций контактов DSM2180F3

Примечание: в "Руководстве пользователя" "PSDSoft Express" имеются подробные указания по тому, как использовать этот и другие экраны.

Известно, что ADSP-2185 имеет два механизма автоматической загрузки внутренней программной памяти после сброса: BDMA загрузка или IDMA загрузка. Любой режим может использоваться совместно с DSM2180F3, однако в данном случае используется BDMA загрузка. Способ загрузки определяется битами конфигурации (Режим A, B и C). Подробнее методы загрузки и трассировки изложены в техническом описании ADSP-2185.

ADSP-2185 имеет измененную архитектуру Гарварда с четырьмя независимыми пространствами памяти (Ввода - вывода, Данных, Программы и комбинированное). Всего имеется 16 KСлов (x16) памяти внутрикристального ОЗУ данных и 16 KСлов (x24) памяти внутрикристального ОЗУ Программы.

На рисунке 9 показана одна из возможных карт памяти. Спецификация fs0.fs7 - это индивидуальные указатели 16 КБитных сегментов Флэш памяти внутри DSM и "CSiop" определяются блоком регистра управления DSM. Для этой карты памяти, DSP должен быть установлен так, чтобы полностью работать в режиме внешней памяти. Содержание памяти DSM устройства может лежать в одном или большем количестве из трех различных адресных пространств DSP: порт ввода - вывода (с ограниченной адресной строкой), байтовое адресное пространство DMA, и-или пространство памяти внешних оверлейных данных (DMS). Начиная с DSM устройства такие понятия как байт-широкая память, понимание естественного x16 и x24 характера памяти данных и памяти программы становятся соответственно важными. Проектировщик может легко определить отображение памяти в программной среде "выбор и щелчек" при использовании "PSDsoft Express". Так как отображение памяти осуществляется с применением DPLD и Регистра страниц, то существует много возможностей для выбора.

Рисунок 9. Карта Памяти ADSP-2185/DSM2180F3

Карта памяти организована так, чтобы работать в пределах ограничений Загрузчика Начальной загрузки ADSP-2185 (освещенных в предыдущем разделе) и использовать полную память Флэш с учетом особенностей листания страниц DSM2180F3.

Изображенная на рисунке 9 типовая карта памяти имеет следующие параметры:

• Адресное пространство Ввода - вывода. Местоположения 256 байтов для сигналов управления DSM (csiop) находятся в адресном пространстве Ввода - вывода DSP и выбираются IOMS сигналом DSP. Так как DSP имеет 16-разрядный ввод - вывод, а не восьми, то верхний байт 16-разрядного доступа ввода - вывода DSP должен быть проигнорирован.
• Байтовое адресное пространство DMA. DSP может осуществлять начальную загрузку или выбирать оверлейные байты в 128 Кб памяти Флэш, используя канал BDMA DSP. DSP может также производить запись во Flash память, используя канал байтов DMA. Flash память DSM адресуется в 128 Кб непрерывном байтовом адресном пространстве через канал BDMA и выбирается всякий раз, когда сигнал BMS DSP активен. Flash память в устройстве DSM нужно отпереть и записать от DSP по одному байту за один раз, проверяя состояние после каждой записи (типичный алгоритм программирования Flash памяти).
• Адресное пространство памяти оверлейных данных. Все 128 Кб памяти Флэш также находятся во внешнем пространстве памяти оверлейных данных DSP, выбираемом DMS, обеспечивая более эффективную байтовую запись во Flash память. DSP использует внешнее окно оверлея данных размером в 8 Кб для обращения к внешней памяти как к данным. DSP удваивает размер этого окна до 16 Кб, управляя его адресной строкой A13 и используя регистр DMOVLAY (подробности см. в Описании ADSP-2185). Так как ко всем 128 Кб памяти Flash нужно обратиться через окно размером только 16 Кб адресов, то DSP используют Регистр cтраниц внутри DSM устройства, имеющего 8 страниц по 16 Кб каждый, как показано на рисунке 9. Так как ввод данных DSP 16-разрядный, а не восьми, то верхний байт 16-разрядного ввода данных в DSP должен быть проигнорирован.

Определение карты памяти в "PSDSoft Express"

Шаблоны карты памяти должны быть установлены согласно рисунка 9, но сначала обратим внимание на установку Регистра страниц, показанной на рисунке 10.

Рисунок 10. Установка регистра страниц DSM2180F3

Три страничных бита обеспечивают от 23 = 8 страниц. Щелкнем "Next" и появится экран "Chip Select Equations", показанный на рисунке 11.

Рисунок 11. Экран "Chip Select Equations"

Если мы будем "щелкать" по каждому из сигналов выбора чипа в списке, то увидим, что они все были определены согласно карте памяти на рисунке 9. Уравнения логики Ввода - вывода и вкладки "User-defined Equations" используются для внедрения комбинаторной и последовательной логики общего назначения. Эти разделы более подробно рассмотрены в Руководстве пользователя "PSDSoft Express". Для того чтобы увидеть, как программно-аппаратное обеспечение DSP может быть загружено в DSM через программный файл данных (.obj), щелкним "Done".

Загрузка программного обеспеченияя ADSP в DSM

Теперь, когда мы завершили определение внутренних и внешних сигналов DSM, пришло время загрузить программно-аппаратное обеспечение ADSP в DSM. Чтобы выполнить это, сделаем следующие шаги:

• "Щелкнем" по кнопке "Fit Design to Silicon" в главном окне сопровождения проекта "PSDSoft Express". Так как это шаблон, то проект должен соответствовать ему без ошибок, если мы только не изменили проект. Если мы получаем ошибку, то надо ее устранить, прежде чем двигаться дальше.
• Обратим внимание на кнопку "Generate C Code". Она используется для создания подпрограмм Flash памяти, которые могут быть преобразованы в "Cи"-код перед компилированием и линкованием. Это не требуется для рассматриваемого проекта.
• "Щелкнем" по кнопке "Merge MCU/DSP firmware with PSD". На этом шаге конфигурация DSM и карта памяти сливаются с цепочкой инструментальных средств компилятора и линкера. После вызова мы получим предупреждение о том, что раз в проекте было использовано разбиение на страницы, то программное обеспечение не уверено, как заполнить адреса начала файла и останова, и мы должны это сделать вручную. На рисунке 12 показан пример того, как это можно сделать в предположении того, что файл, называемый "Program.hex" был предварительно создан с использованием первых трех сегментов Flash памяти DSM.
• Обратим внимание на полосу прокрутки справа, которая предназначена для обращения к памяти вне fs3. Щелкнем "OK" для создания програмного файла данных (.obj), который будет использоваться для конфигурирования устройства. Вот только теперь мы готовы к программированию устройства.

Рисунок 12. Слияние программного обеспечения DSP с картой памяти DSM

Для получения дополнительной информации о том как программировать DSM через JTAG порт или обычный программатор, нужно обратиться к "Руководству пользователя PSDsoft Экспресса".

Программирование DSM2180F3 с использованием JTAG интерфейса

Возможность первоначального программирования новой системной платой с пустой памятью Flash, спаянной непосредственно c ней, решает много проблем производственного характера и материально-технического обеспечения: не требуются никакие гнезда или индивидуальные метки; размеры чипов энергонезависимой памяти программы существенно уменьшены; PLD программируется одновременно с памятью: можно делать только саму системную плату, а опции могут быть запрограммированы в память Flash в дальнейшем по потребностям.

Порт C линейного ввода - вывода используется для связи с помощью интерфейса со стандартными сигналами JTAG - TMS, TCK, TDI и TDO. TSTAT и TERR - оптимальные JTAG-ISP расширения, которые могут быть использованы для уменьшения времени программирования DSM2180F3. Конфигурация DSM, PLD логика, и память Flash - все это может быть запрограммировано через JTAG порт.

JTAG контакты порта C могут быть мультиплексированы с другими сигналами так, чтобы они поддерживались программой DSM. В этом случае DSP может находиться в состоянии сброса или будут использоваться общие сигналы ввода - вывода в течение нормальной операции DSP. При мультиплексировании дополнительно задействуется только один JTAG контакт DSM для управления мультиплексором. Эта позволяет освобождать контакты JTAG для функций I/O после того, как JTAG программирование закончено. Необходимо отметить, что сетевая плата развития DK-2180 мультиплексирует сигналы JTAG и имеет слегка отличную конфигурацию контактов.

Заключение

В настоящее время разработка и развитие систем на одном кристалле являются стратегическим направлением развития элементной базы. Фирма STMicroelectronics успешно развивает это направление. Кроме рассмотренного устройства сейчас доступны потребителям программируемые системы памяти на одном чипе практически для любых микроконтроллеров различных производителей. Имеются как восьмиразрядные так и шестнадцатиразрядные Семейства устройств (PSD8xxx, PSD9xxx, PSD4000 и др.). Рассмотренное программное обеспечение "PSDsoft Express" поддерживает кроме DSP Analog Devices практически все используемые на практике микроконтроллеры, что делает его универсальным программным средством для конфигурируемых систем памяти на одном чипе. Так как DSP и микроконтроллеры продолжают широко внедряться в аппаратуру связи, индустриальную, автомобильную, медицинскую, бытовую и др. технику, то программируемые системы памяти предлагают идеальное решение на двух микросхемах со встроенными PLD и портами ввода - вывода, которые индивидуально конфигурируются для исполнения любых функций в соответствии с системным проектом.

Для получения дополнительной информации можно обращаться в Технико-консультационный центр STMicroelectronics (г.Санкт-Петербург, тел/факс: (812) 556-96-64, e-mail: info@stmicro.ru.