摘要
本文從總體上介紹HPI（Host Peripheral Interface）接口的工作模式，與上位主機(jī)的連接方式，主機(jī)訪問的操作流程；歸納了應(yīng)用當(dāng)中常見問題，并提供了分析解決辦法。
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簡介
HPI 接口是TI 為處理器之間直接互連通訊定義的一種異步接口，大多數(shù)TI DSP 芯片上都有HPI 接口。HPI 接口是從（Slave）端口，接在主機(jī)的擴(kuò)展內(nèi)存總線上，DSP 不能通過HPI 向主機(jī)（Host）的訪問，只能被主機(jī)讀寫。兩個(gè)DSP 的HPI 接口之間不能通訊。兩個(gè)DSP 之間互連，可以將一個(gè)DSP（從）的HPI 接到另一個(gè)DSP（主）的擴(kuò)展內(nèi)存接口（EMIF）上[1]。
1. HPI工作模式
不同系列DSP 上的HPI 接口版本有所不同，區(qū)別體現(xiàn)在DSP 對(duì)HPI 的控制上，如C6727 上的UHPI 可通過寄存器使能與關(guān)閉HPI 接口，對(duì)主機(jī)訪問DSP 內(nèi)存空間的控制，以及對(duì)HPI 接口信號(hào)的功能復(fù)用上。但從主機(jī)訪問的角度，HPI 的工作模式分為：復(fù)用模式(Multiplexed-Mode)和非復(fù)用模式(Non-multiplexed-Mode)。
復(fù)用模式下沒有地址線，主機(jī)訪問DSP 的地址信息是以數(shù)據(jù)方式送到HPIA(HPI 地址寄存)。從硬件信號(hào)的角度，地址，數(shù)據(jù)信號(hào)是由同一組數(shù)據(jù)線傳遞，所以稱為復(fù)用模式。
非復(fù)用模式的數(shù)據(jù)線與地址線是分開的，與內(nèi)存接口連接相似。非復(fù)用模式不需要操作HPIA 寄存器，主機(jī)訪問的地址信息通過地址總線直接送給HPI。
所有的HPI 接口都支持復(fù)用模式，但不是所有芯片的HPI 接口都支持非復(fù)用模式(參考相應(yīng)的芯片手冊(cè)確定是否支持)。除了有無HPIA 的操作區(qū)別外，兩種模式的操作沒有區(qū)別。因?yàn)榉菑?fù)用模式的操作是復(fù)用模式操作的子集，為方便起見，本文以復(fù)用模式展開討論。
2. HPI硬件信號(hào)連接
HPI 接口復(fù)用模式連線如圖1 所示，根據(jù)在應(yīng)用當(dāng)中的必要性分為：必要的，和可選的兩組信號(hào)?？蛇x的信號(hào)
以虛線表示。
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l? 數(shù)據(jù)線HD[0:n]：在復(fù)用模式下，數(shù)據(jù)線的寬度一般為CPU 位寬的一半，一個(gè)HPI 訪問分為高低半字的兩次訪問，如C5000 是16-bit CPU，HPI 數(shù)據(jù)線為8 位，C6000 是32-bit CPU，其HPI 數(shù)據(jù)線為16 位。C64x 系列的HPI 支持32 位，在32 位模式下一個(gè)HPI 訪問不需要分為高低半字兩次訪問組成一個(gè)完整的訪問。
l? HCNTL0/1，HWIL：HCNTL0/1 選擇要訪問的HPI 寄存器，HWIL 控制訪問寄存器的高低半字，必須先高后低。一個(gè)寄存器的高低半字的兩次訪問一定要連續(xù)完成，中間不能插入其它的HPI 操作。只有HPIC 可以只訪問半個(gè)字。
l? HR/W：指示對(duì)HPI 寄存器進(jìn)行讀，還是寫操作。如果主機(jī)的讀，寫信號(hào)是分開的，可以利用其中一個(gè)信號(hào)，但要注意做上拉或下拉處理以控制其在三態(tài)時(shí)的電平。
l? HCS，HDS1/２：這三個(gè)信號(hào)根據(jù)圖2 的邏輯產(chǎn)生內(nèi)部HSTROBE 信號(hào)，其邏輯關(guān)系是要求HDS1 和HDS2信號(hào)相反，HCS 低有效。HSTROB 下降沿的時(shí)間點(diǎn)反應(yīng)的是三個(gè)信號(hào)中最后跳變的信號(hào)。HPI 在HSTROB的下降沿采樣控制信號(hào)HR/W，HCNTL0/1，HWIL 以判斷主機(jī)要對(duì)哪個(gè)寄存器進(jìn)行讀，或者寫操作命令。
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注意控制信號(hào)在HSTROBE 的下降沿之前需要最少5ns 的setup 穩(wěn)定時(shí)間，而HDS1/2 和HCS 到HSTROBE信號(hào)內(nèi)部門電路的延時(shí)是皮秒級(jí)的，所以控制信號(hào)的setup 時(shí)間需要外部時(shí)序保證。
圖2 HSTROBE信號(hào)產(chǎn)生邏輯
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l? HRDY：HPI 的輸出信號(hào)，指示當(dāng)前操作狀態(tài)，用做硬件流量控制握手信號(hào)。
l? HINT：通過HPI，主機(jī)與DSP 之間可以互發(fā)中斷。HINT 是HPI 送給主機(jī)的中斷信號(hào)，DSP 對(duì)HPIC[HINT]位寫1，HINT 信號(hào)線上送出高電平信號(hào)，主機(jī)可利用此信號(hào)做為中斷信號(hào)輸入。DSP 不能清除HPIC[HINT]狀態(tài)，主機(jī)在響應(yīng)中斷后，需要對(duì)HPIC[HINT]位寫1 清除狀態(tài)，DSP 才能再次對(duì)HPIC[HINT]置位發(fā)中斷。主機(jī)通過寫HPIC[DSPINT]置1 給DSP 產(chǎn)生中斷，DSP 在響應(yīng)中斷后，需要對(duì)HPIC[DSPINT]寫1 清除狀態(tài)，主機(jī)才能繼續(xù)操作HPIC[DSPINT]給DSP 發(fā)中斷。通過HPI 傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合互發(fā)中斷做為軟件層的握手信號(hào)，可有效提高通訊的效率與靈活性。
l? ALE：存在于地址，數(shù)據(jù)線復(fù)用的主機(jī)上用來指示地址信號(hào)周期，這種總線復(fù)用的主機(jī)很少見，所以通常將ALE 固定上拉處理，只用HSTROBE 采樣控制信號(hào)。
l? BE：Byte Enable 信號(hào)，這個(gè)信號(hào)只出現(xiàn)在32 位的C6000 DSP 上。因?yàn)閼?yīng)用當(dāng)中通常都是對(duì)整個(gè)32-bit 字進(jìn)行訪問，所以直接做上拉使能處理。
3. HPI寄存器地址映射
HPI 口提供給主機(jī)端訪問的寄存器只有４個(gè)，通過HCNTL［1：0］選擇.
表1 HPI寄存器訪問選擇
由于在復(fù)用模式下數(shù)據(jù)線通常只有寄存器寬度的一半，所以一個(gè)完整的數(shù)據(jù)訪問由高低半字兩次訪問組成，由HWIL 信號(hào)控制，HWIL 信號(hào)必須是先低后高。通常將HWIL 和HCNTL[1:0]接在主機(jī)的地址線上，將4 個(gè)寄存器映射為主機(jī)端的8 個(gè)內(nèi)存單元，下表中的地址線連接方法將8 半字寄存器映射到主機(jī)的8 個(gè)連續(xù)的內(nèi)存單元。這里的地址線是用來選擇HPI 的寄存器，與非復(fù)用模式下的地址線直接訪問DSP 的內(nèi)存空間是完全不同的作用。
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表2 HPI寄存器地址映射
4. HPI寄存器功能說明
HPIC (HPI Control Register)
HPI 控制寄存器HPIC 的位圖如表3 所示，C6000 系列DSP 的HPI 寄存器是32 位的，也只有低16 位有效，與C5000 系列DSP 的HPIC 寄存器定義的功能保持一致。不同版本的HPI 接口的HPIC 位定義的主要不同之處在于軟件握手HRDY 位的有無，其它位名稱可能存在細(xì)小差異，但功能定義都是一樣的。
表3 HPI Control Register
主機(jī)在對(duì)HPI 進(jìn)行訪問前可以通過HPIC 配置字節(jié)序（HWOB）和地址寄存器模式（DUALHPIA）。默認(rèn)的配置為HWOB=0，即先訪問高半；DUALHPIA=0，即單地址寄存器模式，讀和寫操作使用同一個(gè)HPIA；通常都采用默認(rèn)的HPIC 寄存器配置。
HWOB 與硬件信號(hào)HWIL 是沒有聯(lián)系的，HWIL 信號(hào)必須保證先低后高分別訪問兩個(gè)半字單元。至于先訪問一個(gè)字當(dāng)中的高或低半字，是由HWOB 控制的。
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HPIA (HPI Address Register)
物理上存在HPIAR，HPIAW 兩個(gè)地址寄存器。HPIAR 是讀操作地址寄存器；HPIAW 是寫操作地址寄存器。由HPIC 的DUALHPIA 位來決定是采用雙地址寄存器模式還是單地址寄存器模式。如果采用雙地址寄存器模式，在對(duì)HPIA 操作之前，通過設(shè)置HPIC 的HPISEL 位選擇下一個(gè)要訪問的HPIA。通常為了簡化在讀寫操作轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)HPIC 的操作，選用單地址寄存器模式。
HPIA 的地址信息在不同系列DSP 上有所不同：
在C5000 上，數(shù)據(jù)空間，I/O 空間只能按16 位字尋址，程序空間按字節(jié)尋址。HPI 的DMA 訪問屬于I/O 空間，HPIA 的值代表16 位字地址。如主機(jī)端要訪問DSP 內(nèi)存字節(jié)地址0x100, 則要往HPIA 寫的地址值是0x80。在用HPI 啟動(dòng)時(shí)，要注意DSP 代碼是按字節(jié)地址鏈接的，即代碼段的地址是字節(jié)地址，主機(jī)端要將代碼段的地址信息除以2 再送到HPIA。
在C64 上，HPIA 的值代表字節(jié)地址，但是HPI 訪問的數(shù)據(jù)是32 位的，所以HPI 會(huì)忽略HPIA 地址值的低兩位。
在C64+的DSP 上，HPIA 代表32 位字地址，HPI 會(huì)將字地址左移兩位轉(zhuǎn)換成字節(jié)地址，主機(jī)若要訪問DSP 字節(jié)地址0x100，則要賦值HPIA 為0x40。
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HPID (HPI Data Register)
主機(jī)通過HPI 對(duì)DSP 的內(nèi)存訪問是間接訪問，主機(jī)只能訪問HPID，HPID 與DSP 內(nèi)存之間是通過HPI 專屬的DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)的。如圖3 所示。
HPID 的訪問分為自增模式和非自增模式。在自增模式下，訪問HPID 后，HPIA 會(huì)自動(dòng)增加指向下一個(gè)字地址，在連續(xù)訪問時(shí)，自增模式因?yàn)闇p少了主機(jī)對(duì)HPIA 的操作，可以增加HPI 數(shù)據(jù)訪問的吞吐率。非自增模式下訪問HPID 后，HPIA 的值保持不變，主機(jī)需要更新HPIA 來訪問下一個(gè)地址。
在寫操作時(shí)，主機(jī)把數(shù)據(jù)寫到HPID，HPI 將第二個(gè)半字的數(shù)據(jù)通過HSTROBE 的上升沿鎖存到HPID 后，將HRDY 置為忙狀態(tài)，并啟動(dòng)HPI DMA 將HPID 的內(nèi)容搬到HPIA 所指向的內(nèi)存單元，然后清除HRDY 指示可以進(jìn)行下一次操作。
在讀操作時(shí)，在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿，HPI 采樣到HR/W為讀命令，則將HRDY 置為忙狀態(tài)，啟動(dòng)HPIDMA 將HPIA 指向的內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)搬到HPID，清除HRDY 忙狀態(tài)，主機(jī)端方可結(jié)束總線訪問周期，鎖存數(shù)據(jù)線上的有效數(shù)據(jù)。
5. HPI操作流程
主機(jī)對(duì)HPI 的一次總線訪問周期為分三個(gè)階段：主機(jī)發(fā)起訪問，HPI 響應(yīng)，主機(jī)結(jié)束訪問周期。
A.??? 主機(jī)發(fā)起訪問：即對(duì)HPI 寄存器的讀，或者寫命令。主機(jī)送出的硬件信號(hào)為HSTROBE（由HCS, HDS1/2產(chǎn)生），HR/W，HCNTL0/1，HWIL，以及HD[0:n]。HPI 在HSTROBE 的下降沿采樣控制信號(hào)HR/W，HCNTL0/1，HWIL 判斷主機(jī)的操作命令。
B.??? HPI 響應(yīng)：HPI 在HSTROBE 的下降沿采樣控制信號(hào)，根據(jù)控制信號(hào)做出相應(yīng)的響應(yīng)。如果是寫（HR/W為低）命令，則在HSTROBE 的上升沿將數(shù)據(jù)線上的信號(hào)鎖存到HCNTL0/1 和HWIL 指向的寄存器。如果是讀命令（HR/W 為高），如果是讀HPIC，或者HPIA 寄存器，HPI 將寄存器的值直接送到數(shù)據(jù)總線上；如果讀HPID，HPI 先將HRDY 置為忙狀態(tài)，HPI DMA 將數(shù)據(jù)從HPIA 指向的內(nèi)存單元讀到HPID，再送到數(shù)據(jù)線上，并清除HRDY 忙狀態(tài)，在讀HPID 后半字時(shí)，數(shù)據(jù)從寄存器直接送到數(shù)據(jù)總線上，不會(huì)出現(xiàn)HRDY 信號(hào)忙狀態(tài)。
C.??? 主機(jī)結(jié)束訪問周期：對(duì)于寫操作，主機(jī)將數(shù)據(jù)送出后，只要滿足芯片手冊(cè)中HPI 對(duì)HCS 的最小寬度要求，即可結(jié)束訪問周期。對(duì)于讀HPID 操作，要等HRDY 信號(hào)由忙變?yōu)椴幻?，主機(jī)才能結(jié)束訪問周期。兩次連續(xù)的HPI 操作的間隔，在芯片手冊(cè)的HPI 時(shí)序參數(shù)表里有要求，最小間隔為兩個(gè)HPI 功能模塊時(shí)鐘周期。
6. HPI常見故障案例分析
在HPI 應(yīng)用調(diào)試過程中，常遇到的問題分為：寫數(shù)據(jù)不成功，讀數(shù)據(jù)不正確，HRDY 常高。這些問題通常都是由于時(shí)序不正確造成的，下面結(jié)合實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的案例進(jìn)行分析。
1.1寫數(shù)據(jù)不成功
案例的硬件連接如下：
首先關(guān)注核心信號(hào)HSTROBE 由DSP_CS，ARM_WR（HDS1），ARM_RD（HDS2）產(chǎn)生，從下面時(shí)序圖可以看出ARM_WR 的下降沿是最后產(chǎn)生的，所以寫操作時(shí)HSTROBE 的下降沿反應(yīng)的是ARM_WR 的下降沿。
寫HPIC 的時(shí)序截圖如下：
寫HPID 的時(shí)序截圖如下：
兩個(gè)時(shí)序圖顯示主機(jī)送出的數(shù)據(jù)111b 在HSTROBE（ARM_WR）的下降沿后，很快被改變成其它值000b。在寫HPID 的時(shí)序截圖中，第一個(gè)HSTROBE 的下降后，HPI 送出HRDY 信號(hào)，然后數(shù)據(jù)線被改變，首先判斷HPI 對(duì)主機(jī)的命令做出了響應(yīng)，通過HRDY 信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)機(jī)，說明HPI 判斷這是一個(gè)讀操作，可以判斷為HSTROBE 的下降沿采樣HR/W信號(hào)不正確。
從硬件連接來看，HSTROBE（HR/W）要采樣HR/W，HCNTL0/1 來判斷主機(jī)命令， HR/W的與HSTROBE 為同一信號(hào)源，且同為下降沿，HR/W與HSTROBE 的下降沿之間的setup 時(shí)間不夠，采樣HR/W的電平狀態(tài)出現(xiàn)誤判，認(rèn)為是高電平讀命令，HPI 對(duì)讀命令的響應(yīng)則是在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿之后送出HRDY 信號(hào)，并在HRDY 之后，HPI 送出數(shù)據(jù)到總線上。
對(duì)于該問題，需要對(duì)參與HSTROBE 邏輯譯碼的HR/W信號(hào)的下降沿做延時(shí)處理，可在邏輯電路如CPLD 或 FPGA 里實(shí)現(xiàn)，以確保HSTROBE 的下降沿采樣到穩(wěn)定的HR/W電平。
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1.2讀數(shù)據(jù)不正確
通常表現(xiàn)為讀讀HPIC，HPIA 正常，但讀HPID 不正常，前半字為0，后半字正確，對(duì)同一個(gè)地址讀兩次，第二次的數(shù)據(jù)完全正確。
在案例中，用示波器觀察HCS 與HRDY 之間的時(shí)序關(guān)系，發(fā)現(xiàn)HCS 的上升沿在HRDY 的上升沿之前，即主機(jī)在HPI 數(shù)據(jù)有效之前結(jié)束了訪問周期。HRDY 的上升沿其實(shí)是因?yàn)镠CS 的結(jié)束而拉高的，并非數(shù)據(jù)真正有效。
用戶由于沒有在硬件上將HRDY 與主機(jī)PowerPC 的TA 信號(hào)互連，沒有硬件握手機(jī)制，于是從軟件配置上加大主機(jī)的總線訪問周期，即增加HCS 的寬度，故障現(xiàn)象沒有變化。
原因分析：讀HPID 與HPIC，HPIA 時(shí)序不同，讀HPID 操作需要HPI DMA 從HPIA 所指向的地址讀數(shù)據(jù)到 HPID，會(huì)有時(shí)間上的延時(shí)。而讀HPIC 和HPIA 直接從寄存器讀數(shù)據(jù)，沒有延時(shí)，所以讀HPIC，HPIA 是正確的。在讀HPID 時(shí)，HPI 會(huì)在第一個(gè)HSTROBE 的下降沿后將HRDY 置位，指示數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好的忙狀態(tài)，主機(jī)應(yīng)當(dāng)在總線上插入等待周期，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后HPI 清除HRDY，主機(jī)才可以結(jié)束總線周期，通過HCS 的上升沿將有效數(shù)據(jù)鎖存。
HSTROBE 的下降沿到數(shù)據(jù)有效之間的延時(shí)與芯片及HPI 接口的工作頻率相關(guān)，以C5502，C5501 為例，在芯片手冊(cè)中，這個(gè)延時(shí)參數(shù)H1 在SYSCLK1 與CPU 時(shí)鐘的分頻為4 時(shí)，最大延時(shí)為12*2H+20(ns)，H=SYSCLK1/2，在HPI 啟動(dòng)期間，PLL 沒有倍頻，處于旁通狀態(tài)，系統(tǒng)輸入時(shí)鐘就是CPU 的工作時(shí)鐘，SYSCLK1默認(rèn)分頻為CPU 時(shí)鐘的4 分頻，以輸入時(shí)鐘為25MHz 為例，最大延時(shí)為：
這個(gè)時(shí)間長度通常超出了主機(jī)端總線周期的軟件配置范圍，所以通過軟件配置增加HCS 的寬度不一定能滿足 HRDY 的最大延時(shí)要求。在有的DSP 芯片手冊(cè)上只提供了HRDY 的最小延時(shí)，最大延時(shí)與芯片的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，及系統(tǒng)配置相關(guān)而不確定，比如與系統(tǒng)中其它主模塊如EDMA 同時(shí)訪問DDR，那么延時(shí)與HPI 的優(yōu)先級(jí)，EDMA 的優(yōu)先級(jí)，EDMA 的burst 長度，以及DDR 的命令排序等配置相關(guān)，這樣通過延長主機(jī)的總線訪問周期，更加不可靠。
解決辦法：在硬件設(shè)計(jì)之初，一定要利用HRDY 硬件握手信號(hào)[2][3]。雖然有的芯片HPIC 寄存器提供了HRDY 軟件握手方式，只能做為彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)之初遺漏HRDY 硬件握手信號(hào)的權(quán)宜之計(jì)，軟件輪循HRDY 的辦法會(huì)帶來額外的開銷，降低HPI 總線的吞吐率，增加主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。而且有的芯片HPI 不支持HRDY 軟件查詢方法，只能通過硬件HRDY 保證數(shù)據(jù)的有效性。
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1.3 HRDY常高
有的系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行中偶爾出現(xiàn)HRDY 常高，導(dǎo)致主機(jī)端總線訪問異常，需要重新上電才能恢復(fù)HPI 的正常操作。這種故障是由于HPI 狀態(tài)機(jī)出現(xiàn)異常。
從實(shí)際故障定位中總結(jié)出以下幾點(diǎn)原因：
A.??? HPI 的高低半字訪問的順序訪問被其它HPI 訪問打斷：在復(fù)用模式下，一個(gè)完整的HPI 訪問是由高低半字兩次訪問組成，需要嚴(yán)格保證，否則會(huì)破壞HPI 的狀態(tài)機(jī)，從而導(dǎo)致不可預(yù)期的后果。
B.??? 主機(jī)通過HPI 訪問了DSP 內(nèi)部的保留空間，或者破壞了DSP 的程序，數(shù)據(jù)空間，導(dǎo)致DSP 運(yùn)行異常，進(jìn)而導(dǎo)致HPI 狀態(tài)機(jī)異常。
C.??? 主機(jī)的HSTROBE 信號(hào)有毛刺，或者信號(hào)完整性不好，如下圖中HCS（些案例HSTROBE 是由HCS 控制）的上升沿的回勾，都會(huì)導(dǎo)致HPI 誤判斷為主機(jī)的新的訪問的開始，從而打亂了高低半字的訪問順序要求，導(dǎo)致HPI 狀態(tài)機(jī)的錯(cuò)亂。
7.總結(jié)
HPI 是一種簡單的異步接口，只要設(shè)計(jì)中滿足了時(shí)序要求，即可穩(wěn)定工作。在開發(fā)當(dāng)中遇到數(shù)據(jù)讀寫不正確，從HSTROBE 信號(hào)入手檢查與之相關(guān)的信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，便可以找出問題原因。另外，信號(hào)完整性是任何系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。
關(guān)于特定芯片上HPI 接口的特有功能本文沒有針對(duì)討論，如C6727 的字地址模式和字節(jié)地址模式可通過HPIC配置；C6727 在HPI 啟動(dòng)后ROM bootloader 將HPI 關(guān)閉，需要軟件重新使能才能使用等；以及不同芯片的HPI 啟動(dòng)模式下的跳轉(zhuǎn)方式不同，請(qǐng)參考相應(yīng)芯片的HPI 手冊(cè)及bootloader 應(yīng)用手冊(cè)。