PROGRAMSKI PAKET ZA IN-CIRCUIT UPIS KODA U UNUTRAŠNJU FLEŠ MEMORIJU DIGITALNIH SIGNALNIH KONTROLERA 28XXX BEZ UPOTREBE DODATOG NAMENSKOG HARDVERA

Transcription

1 INFOTEH-JAHORINA Vol 10, Ref E-II-8, p , March 2011 PROGRAMSKI PAKET ZA IN-CIRCUIT UPIS KODA U UNUTRAŠNJU FLEŠ MEMORIJU DIGITALNIH SIGNALNIH KONTROLERA 28XXX BEZ UPOTREBE DODATOG NAMENSKOG HARDVERA PROGRAMMING PACKAGE FOR WRITING CODE IN INTERNAL FLASH MEMORY OF DIGITAL SIGNAL CONTROLERS 28XXX WITHOUT THE USAGE OF ADDITIONAL SPECIFIC HARDWARE Ivan Subotić, Dragan Mihić, Nikola Popov, Slobodan Vukosavić, Elektrotehnički fakultet,univerzitet u Beogradu Sadržaj - Digitalni signalni kontroler (DSC) nalaze široku primenu u elektroenergetici Koriste se u okviru mernih uređeja, u zaštitama i sistemima za naprednu dijagnostiku, kao i za upravljanje elektromehaničkim i statičkim pretvaranjem energije u procesima proizvodnje, prenosa i distribucije električne energije U savremenim primenama kakve su V2G/G2V tehnologije i upravljanje inteligentnim mrežama potrebno je menjati kod u toku rada Izmenu koda je potrebno činiti daljiski, bez bilo kakvih hardverskih izmena ili zahvata U ovom radu predstavljen je algoritam koji omogućava programiranje flash memorije DSP-a putem standardnog SCI komunikacionog kanala Demonstracija predloženog rešenja uključuje PC računar i namenski grafički korisnički interfejs, ali isključuje upotrebu bilo kakvog dodatnog hardvera Za komunikaciju DSP-a i PC-a razvijen je GUI koji dodatno pojednostavljuje upotrebu Predstavljeni algoritam uz određena jednostavna podešavanja DSP-a omogućava kontrolu toka programiranja kao i verifikaciju upisanog programskog koda Algoritam je testiran na procesorima kompanije Texas Instruments familije C2000 i može se vrlo lako prilagoditi drugim vidovima komunikacije DSC sa udaljenim nadređenim računarom Abstract Digital signal controllers (DSC) find widespread use in electrical engineering They are used within measuring devices, in protection and systems for advanced diagnostic, as well as for control of electromechanical and static energy conversion within the processes of production, transmission and distribution of electrical energy In modern-day applications such as V2G/G2V technologies and control of smart grids there is a need for changing the code during the work The modification of code is necessary to be performed remotely, without any changes or operations on hardware In this work an algorithm which allows programming of DSP flash memory using standard SCI communication channel is presented Demonstration of proposed solution includes PC computer and specific graphic user interface, but excludes the use of any additional hardware A GUI is developed for communication of DSP and PC which additionally simplifies the usage Presented algorithm with some certain simple DSP settings allows the control of programming flow as well as code Algorithm is tested on processors of Texas Instruments family C2000 and can be easily adjusted for other communication forms of DSC with distant superior computer 1 UVOD Pri radu sa digitalnim signalnim kontrolerima (DSC) u većini aplikacija program treba da se izvršava iz flash memorije procesora Prednosti izvršavanja programa iz flash memorije su trajni upis koda kao i veći prostor za čuvanje koda Uobičajena metoda za programiranje flash memorije podrazumeva upotrebu dodatnog hardverskog alata od strane proizvodjača DSC-a (debugger-a)[1] i programskog okruzenja specifičnog za konkretni DSC U ovom radu je predstavljen algoritam koji omogućava programiranje flash memorije DSC-a putem standardnog SCI komunikacionog kanala Prednosti načina programiranja flash memorije predloženog u ovom radu nad standardnim date su u nastavku Upotrebom predloženog algoritma se zaobilazi potreba da se postupak upisa koda vrši sa računara na kome je instalirano softversko okruženje za konkretan DSC Ovo softversko okruzenje se dobija od proizvođača DSC i za korišćenje istog je neophodna licenca U ovom radu predlozeno rešenje ne zahteva povezivanje dodatnog namenskog hardvera,kao sto je debugger, i na taj način je izbačena potreba za još jednim hardverskim elementom za koga postoji mogućnost, kao i za svaki hardverski element, da se u neprimerenim uslovima rada pokvari 562

2 U savremenim primenama, kao što su V2G/G2V tehnologije i upravljanje inteligentnim mrežama, gde je obavljanje programiranja flash memorije samo jedna od mnogih operacija koje centralni računar treba da izvrši, upotrebom predloženog algoritma se omogućava isti efekat upisa u flash memoriju, ali bez velikog opterećenja centralnog računara Ovim se smanjuje verovatnoća preopterećenja računara Slične algoritme i softverska rešenja nude i vodeće svetske kompanije, ali je za industrijsku upotrebu ovakvih softvera potrebna licenca [2] Takođe sa stanovišta korisnika ne postoji mogućnost prerade ovog softvera da bi se prilagodio drugim vidovima komunikacije sa udaljenim nadređenim računarom Prednost u ovom radu predloženog algoritma je što se, za razliku od postojećih, može vrlo lako prilagoditi drugim vidovima komunikacije (kao što je CANbus) Za omogućavanje komunikacije sa računarom razvijen je Graphic User Interface (GUI), koji korisniku omogućava jednostavno korišćenje predloženog rešenja U radu je predstavljen format (a00) u koji mora da se konvertuje izvršni ( out ) fajl za koji postoji namera da se upiše u flash memoriju [3] Naveden je i način konverzije kao i sve prednosti konverzije u predlozeni format [4] Dodatno je predstavljen način naknadne prerade željenog formata (a00) pre nego što se pošalje preko SCI Ova prerada je neophodna za pravilan tok programiranja U tu svrhu u GUI je implementirana metoda koja ovo obavlja i koja je u ovom radu objašnjena Kako predloženi softver može biti korišćen u industrijske svrhe programiranja serije više hiljada uredjaja, neophodno je bilo razviti odredjeni sistem toka programiranja, pa predloženi algoritam pored samog upisa u flash memoriju omogućava i verifikaciju vršenja koraka pri upisu kao i samog upisa Za tu svrhu je u algoritmu napravljen poseban registar pod nazivom Status Ako se desi greška pri programiranju, ovaj registar će se napuniti konkretnom vrednošću iz koje korisnik može da zaključi o kojoj je grešci reč Svakoj mogućoj grešci je pridružen po jedan broj koji će se, ako se greška desi, upisati u registar Status Uvidom u taj broj korisnik može da zaključi o kojoj je grešci reč prostim uvidom u tabelu vrednosti i grešaka priloženih u uputsvu za korišćenje[5] U radu je posebno poglavlje posvećeno pomoćnom programu koji je neophodan za SCI programiranje flash memorije Objašnjen je način na koji on uspeva da izvrši sve neophodne pripreme i upiše kod u flash memoriju Za sam upis pojedinačnog karaktera u flash memoriju pomoćni program koristi gotove funkcije : erase, program i verify koje vrše respektivno: brisanje flash memorije, upis u flash memoriju i verifikaciju upisa u flash memoriju Ove gotove funkcije se nalaze u API biblioteci koju je napravila firma Texas Instruments, a koju pomoćni program koristi [5] U radu je predstavljen način i podešavanja u linker fajlu koja omogućavaju kodu, koji se izvršava iz RAM memorije, da prepiše sam sebe (ili svoje delove) u neki drugi deo RAM memorije i da zatim iz tog dela nastavi da se izvršava Tokom procesa programiranja flash memorije,u ovom radu je objašnjen ( kao jedan od neophodnih koraka za programiranje flash memorije ) upis željenog koda u RAM memoriju korišćenjem samo standardnog SCI komunikacionog kanala U nastavku teksta data su rešenja koja su korišćena pri programiranju flash memorije preko SCI komunikacionog kanala 2 KONVERZIJE IZVRŠNOG FAJLA Iz razloga što Boot ROM na DSC familije C2000 nema mogućnost upisa u flash memoriju, već samo u RAM, jasno je da je potreban pomoćni program koji će se prvo upisati u RAM memoriju, a zatim krenuti odatle sa izvršavanjem On treba da ima samo jednu svrhu, a to je da omogući i kontroliše proces upisa koda u flash memoriju Proces programiranja flash memorije počinje upisom pomoćnog programa u RAM memoriju Da bi se to omogućilo potrebno je izvršiti konverziju formata pomoćnog programa Pomoćni program posle izvršenog kompajliranja ima ekstenziju out, što je uobičajena ekstenzija za izvršne fajlove Nemoguće je fajl u ovoj formi upisati u RAM memoriju Format koji je pogodan za upis u RAM memoriju je odredjen boot ROM-om Za razumevanje pogodnog formata potrebno je razumeti način funkcionisanja boot ROM-a Da bi se uspostavila komunikacija DSP-a sa računarom preko serijske veze, potrebno je DSP postaviti u režim SCI boot i iskoristiti mogućnost DSP-a "Auto Baud Detect" [7] Na slici 1 je prikazana mapa memorije DSP-a [6] Osenčen je deo memorije u kome se nalazi kod koji se upravo izvršava (ovako će se i dalje u tekstu obeležavati ) Na slici se vidi da boot ROM upravlja procesom upisa koda u RAM memoriju: Slika 1: Memorijska mapa DSP-a Boot rom ne moze da upisuje u flash memoriju niti u deo RAM memorije koji je zaštićen password-om (SARAM 563

3 L0,L1,L2,L3,"gornji RAM"), tako da on moze samo da upisuje u neobezbedjeni deo RAM memorije Taj deo je označen na slici 1 kao SARAM L4,L5,L6,L7,"donji RAM" Kod koji boot ROM prepoznaje ima tačno odredjeni format Taj format ne moze se da menja zato što sadržaj boot ROM-a ne moze da se menja kada je jednom isprogramiran u fabrici To znači da kod mora biti polat u onom formatu u kome će ga boot ROM razumeti Boot rom očekuje format prikazan u donjoj tabeli: Reč (16-bit): 1 AA 08 - ključ koji mora da se pošalje prvi (ako on ne odgovara ništa se neće upisati u RAM memoriju) 2-9 rezervisane reči (mogu da budu sve nule,nije važno koje su vrednosti) (22:0) Početna adresa sa koje će se kod izvršavati nakon boot moda 12 Broj reči u sledećem bloku (ako je =0 upis se završava) Adresa na koju treba da se upiše prva reč bloka 15 Prva reč bloka ponavlja se n Poslednja reč bloka m m = 0000h blok sa 0 reči označava kraj upisa GUI je razvijen radi uspostavljanja komunikacije PC računara i DSP-a On ima mogućnost da pošalje, primi karakter, kao i da pošalje hex fajl Boot ROM-u odgovara samo format u kome su dve hex cifre poslate preko serijske veze kao jedan 8-bitni karakter (primer: A9 se šalje kao karakter (A9 = = 169 = )) Pored toga što je ovaj način slanja hex podataka jedini moguć u ovom slučaju,on je ujedno i duplo brži od načina u kome se svaka hex cifra šalje kao jedan 8-bitni karakter Ovakve konverzije izvršava GUI GUI uzima podatke iz hex fajla pomocnia00 i posmatra ih kao niz karaktera (string s) Iz razloga što u ovom nizu karaktera postoje karakteri koji nisu regularne hex cifre (regularne hex cifre su 0-9 i A-H), kao što su nov red, razmak, tab i specifični karakteri koji stoje na početku i na kraju svakog "a00" fajla, potrebno je da GUI ima mogućnost da ukloniti sve neregularne karaktere Neophodno je u novodobijenom nizu karaktera po dva bajta pretvarati u niz od 8 bitova, koji bi se zatim poslao preko serijske veze [7] Radi verifikacije ispravnosti procesa slanja podataka preko serijske veze, GUI ima mogućnost da svaki, preko serijske veze, poslati bajt ponovo konvertuje u početni oblik (u dva bajta) Ovako se od poslatih karaktera dobija identičan fajl fajlu koji je postojao pre konverzije Kako izgleda prikaz poslatih hex karaktera prikazano je na slici 2: Tabela 1: Format koji boot ROM prepoznaje Postoji alat koji out format pretvara u format koji je podoban za slanje boot ROM-u (format prikazan iznad) Taj alat se naziva hex2000exe, a format se dobija iz formata "out" tako što se on pozove naredbom: "hex2000 pomocniout -boot -gpio8 -a" U radu je ovaj postupak iskorišćen da se ekstenzija pomoćnog programa prebaci iz forme out u formu "a00" koja je pogodna za slanje boot ROM-u Za razliku od pomoćnog fajla koji je pogodan za spuštanje u RAM memoriju, i koji može da ima samo jedan unapred boot ROM-om definisan format, fajl za upis u flash memoriju može da bude u bilo kom formatu Ovaj rad ipak favorizuje format "a00" prvenstveno zato što u njemu informacija o lokaciji u flash memoriji DSP-a u koju treba da se upiše blok podataka stoji odmah ispred tog bloka podataka Ovo jako pojadnostavljuje proces upisa u flash memoriju Kada se izvrši konverzija fajla za upis u flash memoriju (korisničkog fajla, u daljem tekstu "app"fajla) u ovaj format dobija se fajl "appa00" koji je pogodan za upis u flash memoriju 3 SPECIFIČNI METOD SLANJA PODATAKA PREKO SERIJSKE VEZE Slika 2: Prikaz poslatih hex karaktera 4 POMOĆNI PROGRAM Pomocni program služi da omogući upis koda "appa00" u flash memoriju, kao i da izvrši sve potrebne pripreme za upis tog fajla Funkcije koje obavlja pomoćni program: 1) Vrši dummy read password lokacija (0x33fff8 0x33ffff) 2) Prepisuje deo sebe u upravo otključanu RAM memoriju 3) Kreće da se izvršava iz upravo otključane ram memorije (u daljem tekstu gornje RAM memorije) Proverava verziju API biblioteke koja je prepisana kao jedna od potrebnih stvari u gornju RAM memorijuovim se ustvari 564

4 proverava ispravnost i funkcionisanje programa iz gornje RAM memorije 4) Poziva funkciju erase iz API biblioteke i vrši brisanje cele flash memorije 5) Poziva funkciju program iz API biblioteke i vrši programiranje flash memorije sa fajlom poslatim preko serijske veze (appa00) Pomoćni program ima jednu jako važnu i korisnu sposobnost,a to je ne samo prepoznavanje da greška postoji već i detekcija njenog tipa Ova sposobnost je jako bitna prilikom programiranja jer, ako se desila greška, dozvoljava korisniku da ustanovi kog je tipa i da adekvatno tome reaguje Svih pet gore navedenih koraka koje izvršava pomoćni program su podložni detekciji greške Statusni registar omogućava korisniku da detektuje o kojoj je grešci reč Pored informacije o tome u kom se koraku greška desila,statusni registar sadrži i informacije o tome zašto se konkretna greška javila kao i uputstvo kako je moguće tu grešku otkloniti ( cmd ) fajl mapira dupli prostor za taj deo koda (rezerviše se i gornja i donja RAM memorija) pomoću komandi Load i Run Load označava gde će se kod prvobitno spustiti,dok Run označava odakle će se kod izvršavati Ovim nije izvršeno prepisivanje gornje funkcije iz jedne memorije u drugu vec samo rezervisanje mesta u koje će se smestiti ove funkcije, a samo prepisivanje funkcija iz jedne memorije u drugu mora da se vrši iz samog programa (iz main rutine ili neke druge koju poziva rutina main ) Na donjoj slici se može videti kako pomoćni program prepisuje svoje funkcije iz samog sebe u gornju RAM memoriju: Slika 4 Prikaz prepisivanja funkcija iz "donje" u "gornju" RAM memoriju Slika 3 Prikaz trenutka kada pomoćni program krene da se izvršava iz "donje" RAM memorije Na početku izvršavanja bilo kog programa flash i "gornja" RAM memorija su zaključaneda bi se omogućio bilo kakav upis u te delove memorije neophodno ih je prethodno otključati Otključavanje CSM-a (Code Security Mode) se vrši čitanjem memorijskih lokacija od 33FFF8 do 33FFFF Ako se na ovim lokacijama nalaze sve jedinice,samo ovo prosto čitanje će biti dovoljno da se CSM otključa Ako se na ovim lokacijama ne nalaze sve jedinice, to znači da je CSM zaštićen sa pravom šifrom a ne trivijalnom i CSM će ostati zaključan, a pomoćni program prekinut Postoji još jedno moguće stanje CSM-a a to je da su sve password lokacije isprogramirane sa svim nulama Ovo bi značilo da je flash memorija trajno zaključana i da ne postoji način za njeno otključavanje Da bi se u "donjoj" RAM memoriji oslobodio prostor za primanje fajla "appa00" potrebno je da pomoćni program prepiše svoje delove koje će nadalje koristiti u "gornji" RAM Da bi se kod uspešno prepisao sa jednog dela memorije u drugi nije dovoljno samo u kodu pozvati funkciju koja prepisuje vrednosti sa jedne lokacije na drugu Potrebno je obavestiti linker da će se taj deo koda samo na početku upisati u donju RAM memoriju, da se odatle neće izvršavati,već da će se prepisati u gornju RAM memoriju odakle će se i izvršavati To se postiže tako što se u linker Potrebno je prepisati sve što će se koristiti u daljem toku programa,a to je: kod za komunikaciju, API biblioteka, kod za programiranje Ovo je omogućeno korišćenjem komande "#pragma" pomoću koje se povezuje odredjeni deo koda sa labelom koja se stavlja u odredjeni deo memorije Slika 5 Prikaz trenutka kada pomoćni program krene da se izvršava iz "gornje" RAM memorije Da bi se program osigurao od pozivanja zastarele verzije biblioteke koja neće raditi sa novim DSP-om, on proverava verziju API biblioteke Ako je verzija neispravna,to je indikator da je biblioteka neodgovarajuća i da se desila greška Faza brisanja flash memorije se obavlja pozivanjem funkcije iz API biblioteke pod nazivom "Flash_Erase" Ova funkcija radi objedinjeni posao ranijih funkcija pod nazivom 565

5 "clear" i "erase" Te dve funkcije su spojene u jednu da bi se onemogućilo slučajno zaključavanje procesora Radi prevencije slučajnog programiranja flash memorije sa pogrešnim tipom fajla, što može da dovede, pored neispravnog rada procesora, do upisa nepoznatog koda u password lokacije DSP-a,a time i do trajnog zaključavanja flash memorije, potrebno je napraviti neku vrstu zaštite od ovakvog sleda događaja Pomoćni program upravo pruža ovaj tip zaštite tako što proverava takozvanu "ključ vrednost" fajla, što je vrednost početnih 16 bitafajla Ovih 16 bita se za svaki različiti tip fajla razlikuju od vrednosti koje su upisane za ispravan format (format "a00") Ako pomoćni program detektuje "ključ vrednost" različitu od ispravne on onemogućava početak procesa upisa u flash memoriju i time štiti DSP od mogućeg zaključavanja Gore navedeni postupak (koraci 1,2 i 3) se ponavlja onoliko puta koliko ima blokova Kada se detektuje da je početna reč narednog bloka jednaka nuli (ne postoje reči iz tog bloka koje treba da se upišu u flash), to označava kraj programiranja flash memorije i izlazi se iz petlje koja ponavlja korake (1,2 i 3) Faza upisa u flash memoriju se sastoji od ponavljanja procesa koji čine: 1) čitanje prve reči 2) čitanje druge i treće reči 3) čitanje onoliko reči i njihov upis u flash kolika je vrednost prve reči Gore pomenute reči čine jedan blok Postoji više blokova za programiranje, pa ovaj postupak mora da se ponavlja Proces je objašnjen ispod: 1) čitanje prve reči - Ova reč označava koliko u njenom bloku postoji reči koje treba upisati u flash memoriju Ako se detektuje blok sa nula reči za programiranje,to je znak za program da treba da izađe iz petlje za ponavljanje i da ne postoji više blokova koji treba da se programiraju 2) čitanje druge i teće reči ove dve reči pretstavljaju 32- bitnu adresu u flash memoriji na koju treba da se upiše prva reč blokasve ostale reči bloka se upisuju redom ispod te prve adrese 3) čitanje onoliko reči kolika je vrednost prve reči - Formira se petlja koja ima onoliko ponavljanja kolika je vrednost prve reči u bloku Proces u petlji je sledeći :Kako se neka reč pročita,pokazivač na flash memoriju (koji je za prvu reč jednak 32-bitnoj adresi dobijenoj u drugom koraku se inkrementira za jedan (Tako će za n-tu reč koja treba da se programira pokazivač flash memorije pokazivati početnu adresu za upis povećanu za n-1) Kada se pročita prva reč za upis, poziva se funkcija iz API biblioteke "Flash_Program" koja će izvršiti upis date reči na datu lokaciju, koju pokazuje pokazivač na flash memoriju Postupak se ponavlja i funkcija "Flash_Program" se onoliko puta poziva koliko ima reči za programiranje u tom bloku Pošto se uvek programira samo po jedan reč, postupak provere koju obavlja funkcija "Flash_Program" je dovoljna Ipak omogućena je i dodatna provera da li je ta reč zaista upisana u flash memoriju pozvanjem API funkcije "Flash_Verify" Ako se dogodila greška, uvidom u registar "Status" korisnik može ustanoviti zbog čega se greška desila, koja je prva adresa na kojoj se desila greška pri upisu, kao i moguće načine otklanjanja greške Slika 5: Upis fajla appa00 u flash memoriju 5 ZAKLJUČAK U radu je predložen jednostavan algoritam za programiranje flash memorije koji je fleksibilan u pogledu mogućnosti prilagođavanja drugim vidovima komunikacije DSC sa udaljenim nadredjenim računarom LITERATURA [1] Flash Programming Solutions for the TMS320F28xxx DSCs [2] C2000Prog 13manual [3] Common Object File Format SPRAAO8 [4] TMS320x2833x, 2823x Boot ROM Reference Guide (RevA) [5] TMS320C28x DSP/BIOS 5x Application Programming Interface (API) Reference Guide (RevK) [6] TMS320F28335/F28334/F28332/F28235/F28234/ F28232 Digital Signal Controllers (RevH) [7] TMS320F2833x, 2823x Serial Communications Interface (SCI) Reference Guide (RevA) 566