达芬奇数字媒体片上系统的架构和 Linux 启动过程

只看该作者 · 2011-4-11 11:03

德州仪器半导体技术(上海)有限公司崔晶
达芬奇(DaVinci)数字媒体技术平台TMS320DM6446/3采用了ARM+DSP双核的架构，本文从芯片的硬件结构入手介绍达芬奇DMSoC硬件部分及Linux OS的启动过程。达芬奇 DMSoC 硬件概述如图1所示，达芬奇数字媒体片上系统(DMSoC)提供：两个内核(ARM+DSP)；视频处理子系统(VPSS)；多种Boot模式(NOR Flash/NAND Flash/UART0 Boot Mode)；两个电源域；多个时钟树；多个引脚独立或复用的外设。

图1  DM6446功能结构框图 ARM-DSP集成对于双核的达芬奇架构，大家最关心的就是两个核之间的资源分配、通信方式及如何高效地实现资源共享各尽其能。ARM独享(DSP不可用)的外设有：UART0/1/2，I2C，看门狗定时器，PWM0/1/2，ARM中断控制器，USB2.0，ATA/CF，SPI，GPIO，VPSS，EMAC/MDIO，EMIFA CONTROL，VLYNQ，MMC/SD。DSP独享(ARM不可用)的外设有：DSP中断控制器，VICP。ARM和DSP共享的外设有：EDMA，Timer0/1，Power & Sleep Controller，ASP和EMIFA Data。

图2  ARM-DSP集成结构
如图2所示，可以很清楚地看到ARM可以访问DSP片内存储器(L2RAM和L1P/D)；DSP可以访问ARM片内存储器；ARM和DSP共享DDR2和AEMIF。因此，通常情况下ARM只需传递需要处理的数据地址指针给DSP，而无须大块的数据搬移。ARM和DSP之间的通信可以通过相互中断实现。ARM可以中断DSP(通过4个通用中断和1个不可屏蔽中断)；DSP可以通过2个通用中断来中断ARM。ARM控制DSP的电源、时钟、复位和引导。 DMSoC存储器映射达芬奇DMSoC多个片上存储器和两个处理器及不同的子系统相关。为了简化软件开发，DMSoC中所有的存储器统一编址，如表1所示。
DMSoC交换中心资源以上大家看到DMSoC有非常丰富的外设和视频处理硬件资源，而且ARM和DSP又共享DDR2等存储器资源，那么DMSoC又是如何确保ARM、DSP和VPSS同时访问外设或存储器资源时不会引起冲突呢？DMSoC中的交换中心资源(SCR：Switched Central Resource)会做出管理。如图3所示，把任何一个发起数据传输的源称为Master(每一个Master有一个专用的ID)，这个Master要访问的目的地称为Slave，这样在Master和Slave之间就构成一条数据传输的通路。从图3中可以看到，在SCR中可以有很多并行的Master到Slave的数据通路。如果是不同的Master、相同的Slave，那么可以通过设置每一个Master的优先级来得到特殊应用系统的最佳性能。对于大多数的Master，可以通过寄存器MSTPRI0和MSTPRI1来设置它们的优先级。如果Master是C64x+、VPSS和EDMA，可以通过它们自己的相关寄存器控制它们自己的优先级，这样可以更加灵活、快速的实现高的视频数据吞吐带宽。详细信息可以参考DM6446的数据手册。

图3  DMSoC交换中心资源的结构框图 电源域及复位达芬奇DMSoC有两个电源域，分别是Always On域和DSP域。Always On域由CVDD ARM核电源供电，给ARM、总线、SCR和除VICP之外的所有外设提供电源；DSP电源域由CVDDDSP DSP核电源供电，给DSP和VICP提供电源。
双核架构的达芬奇DMSoC的功耗也非常有竞争力，这一方面取决于芯片本身的工艺，另一方面也取决于芯片内部时钟和电源的结构。如图4所示，达芬奇DMSoC有电源休眠控制器(Power & Sleep Controller)管理芯片电源的开关及复位。可以用软件控制DSP电源域，控制DSP及其模块时钟的开关和复位。PSC不支持ARM及其模块的断电控制、ARM的本地复位和ARM的时钟关断控制。同时PSC可以中断ARM和DSP，支持IcePick仿真(emulation)特性。

图4  DM6446的电源休眠控制器
关于达芬奇DMSoC的复位类型、触发源及对应的复位对象请参考表2。
达芬奇DMSoC初始化流程达芬奇DMSoC复位状态DM644x上电复位后，芯片的绝大部分模块都处于不工作状态。锁相环PLL处于旁路(Bypass)模式；DSP子系统的状态取决于DSP_BT引脚；UART1和UART2也处于不工作状态，UART0的状态取决于BTSEL引脚(如果BTSEL=11，UART0工作)；EMIFA处于工作状态，其数据总线宽度由EM_WIDTH决定，地址总线宽度由AEAW决定；芯片的大部分引脚都被配置为GPIO引脚。引脚复用通过寄存器PINMUX0和PINMUX1控制。达芬奇DMSoC初始化顺序

DMSoC复位。芯片的配置由PSC决定，取决于BTSEL[0-3]、EM_WIDTH、AEWA和DSP_BT的状态。
ROM boot loader(如果被选)。NAND或者UART0的初始化。
引导加载(Boot-loading)。以U-boot为例，
- 使能电源域：DDR2和DSP；
- 设置时钟频率(ARM、DSP和DDR2时钟的乘除系数)；
- 设置引脚复用控制器；
- 设置ARM引导启动操作系统。
操作系统启动。以Linux为例，
- 初始化ARM；
- 初始化硬件系统；
- 初始化Linux环境。

U-boot初始化顺序通常情况下，ARM Linux要求boot loader中有少许的初始化。目前TI的DVEVM使用的是U-boot-1.1.3。U-boot代码中首先运行的是u-boot/cpu/arm926ejs/start.S，芯片和一些DVEVM板的硬件配置主要在u-boot/board/davinci/platform.S和davinci.c中完成。其中u-boot/board/davinci/platform.S设置最基本的系统硬件环境，包括系统PLL及DDR2的初始化、PSC的配置及使能UART0、AEMIF等硬件模块。有些工程师设计的达芬奇板可能用到了和DVEVM不同的Flash，那么就要根据用到的Flash参数修改u-boot/board/davinci/flash.c。另外，关于DM644x支持的NAND Flash ID，请参考TMS320DM644x DMSoC的相关文档。
以NOR Flash boot为例，DVEVM u-boot初始化下列的达芬奇DMSoC内容：

关中断和MMU。
使能DSP电源域(PTCMD)，把DSP置为复位状态。
初始化PLL，使能DDR2，软复位DDR2并且重新使能DDR2，使其脱离复位状态。
初始化系统PLL。
配置AEMIF引脚为NOR Flash接口。
VTP校准。

完成以上步骤之后，U-boot准备引导ARM Linux。

配置系统的内存(通过ATAG_ MEM块和mem=)NAND Flash和DDR2。
通过TFTP加载等加载方式，加载内核到指定的存储地址。
如果定义过，加载RAM Disk。
初始化传递到内核的引导参数(EMAC地址，串口，控制台，视频格式等)
获得ARM Linux机类型值(DVEVM为＃901)。
设置kernel tagged list。
用初始值设置ARM的寄存器。
调用内核。

Linux 初始化步骤

Linux内核需要从引导加载程序(U-boot)中得到以下参数。

* 已经初始化的memory系统。
* R0＝0；R1为ARM Linux机类型值。
* R2指向ATAG结构体的内容：①物理memory区；②是否使用RAM DISK及其压缩版的地址；③视频驱动程序具体的初始化参数；④内核命令行；⑤其他参数(串口和版本号)。

更多关于Linux内核引导参数的信息可以参考Linux/Documentation/kernel-parameters.txt。如果要想传递给内核更多的参数，再u-boot中的bootargs中设置就可以了。
对于压缩的内核(aka uImage)，Linux 最初启动Linux/arch/kernel/head.s。
start_kernel()运行。位于Linux/init/main.c。
Linux的第一个进程init()运行。

总结经过上面介绍，很多DSP工程师可能会对达芬奇DMSoC及Linux启动流程有一个感性的认识，双核架构的达芬奇DMSoC带给我们的是一加一大于二的性价比，要想了解更多的细节，请参考数据手册和应用文档