DMA控制器概述

DMA既可以指內(nèi)存和外設(shè)直接存取數(shù)據(jù)這種內(nèi)存訪問的計(jì)算機(jī)技術(shù)，又可以指實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的硬件模塊（對(duì)于通用計(jì)算機(jī)PC而言，DMA控制邏輯由CPU和DMA控制接口邏輯芯片共同組成，嵌入式系統(tǒng)的DMA控制器內(nèi)建在處理器芯片內(nèi)部，一般稱為DMA控制器，DMAC）。

值得注意的是，通常只有數(shù)據(jù)流量較大(kBps或者更高)的外設(shè)才需要支持DMA能力，這些應(yīng)用方面典型的例子包括視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò)接口 。

一般而言，DMA控制器將包括一條地址總線、一條數(shù)據(jù)總線和控制寄存器。高效率的DMA控制器將具有訪問其所需要的任意資源的能力，而無須處理器本身的介入，它必須能產(chǎn)生中斷。最后，它必須能在控制器內(nèi)部計(jì)算出地址。

一個(gè)處理器可以包含多個(gè)DMA控制器。每個(gè)控制器有多個(gè)DMA通道，以及多條直接與存儲(chǔ)器站(memory bank)和外設(shè)連接的總線，如圖1所示。在很多高性能處理器中集成了兩種類型的DMA控制器。第一類通常稱為“系統(tǒng)DMA控制器”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何資源(外設(shè)和存儲(chǔ)器)的訪問，對(duì)于這種類型的控制器來說，信號(hào)周期數(shù)是以系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)來計(jì)數(shù)的，以ADI的Blackfin處理器為 例，頻率最高可達(dá)133MHz。第二類稱為內(nèi)部存儲(chǔ)器DMA控制器(IMDMA)，專門用于內(nèi)部存儲(chǔ)器所處位置之間的相互存取操作。因?yàn)榇嫒《及l(fā)生在內(nèi)部 (L1－L1、L1－L2，或者L2－L2)，周期數(shù)的計(jì)數(shù)則以內(nèi)核時(shí)鐘(CCLK)為基準(zhǔn)來進(jìn)行，該時(shí)鐘的速度可以超過600MHz。

每個(gè)DMA控制器有一組FIFO，起到DMA子系統(tǒng)和外設(shè)或存儲(chǔ)器之間的緩沖器的作用。對(duì)于MemDMA(Memory DMA)來說，傳輸?shù)脑炊撕湍繕?biāo)端都有一組FIFO存在。當(dāng)資源緊張而不能完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，則FIFO可以提供數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，從而提高性能。

因?yàn)槟阃ǔ?huì)在代碼初始化過程中對(duì)DMA控制器進(jìn)行配置，內(nèi)核就只需要在數(shù)據(jù)傳輸完成后對(duì)中斷做出響應(yīng)即可。你可以對(duì)DMA控制進(jìn)行編程，讓其與內(nèi)核并行地移動(dòng)數(shù)據(jù)，而同時(shí)讓內(nèi)核執(zhí)行其基本的處理任務(wù)—那些應(yīng)該讓它專注完成的工作。

有兩類主要的DMA傳輸結(jié)構(gòu)：寄存器模式和描述符模式。無論屬于哪一類DMA，表1的幾種信息都會(huì)在DMA控制器中出現(xiàn)。當(dāng)DMA以寄存器模式工作時(shí)，DMA控制器只是簡單地利用寄存器中所存儲(chǔ)的參數(shù)值。在描述符模式中，DMA控制器在存儲(chǔ)器中查找自己的配置參數(shù)。

（1）基于寄存器的DMA

在基于寄存器的DMA內(nèi)部，處理器直接對(duì)DMA控制寄存器進(jìn)行編程，來啟動(dòng)傳輸?；诩拇嫫鞯腄MA提供了最佳的DMA控制器性能，因?yàn)榧拇嫫鞑⒉恍枰粩嗟貜拇鎯?chǔ)器中的描述符上載入數(shù)據(jù)，而內(nèi)核也不需要保持描述符。基于寄存器的DMA由兩種子模式組成：自動(dòng)緩沖(Autobuffer)模式和停止模式。在自動(dòng)緩沖DMA中，當(dāng)一個(gè)傳輸塊傳輸完畢，控制寄存器就自動(dòng)重新載入其最初的設(shè)定值，同一個(gè)DMA進(jìn)程重新啟動(dòng)，開銷為零。如果將一個(gè)自動(dòng)緩沖DMA設(shè)定為從外設(shè)傳輸一定數(shù)量的字到 L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的緩沖器上，則DMA控制器將會(huì)在最后一個(gè)字傳輸完成的時(shí)刻就迅速重新載入初始的參數(shù)。這構(gòu)成了一個(gè)“循環(huán)緩沖器”，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)量值被寫入 到緩沖器的最后一個(gè)位置上時(shí)，下一個(gè)值將被寫入到緩沖器的第一個(gè)位置上。

自動(dòng)緩沖DMA特別適合于對(duì)性能敏感的、存在持續(xù)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用。DMA控制器可以在獨(dú)立于處理器其他活動(dòng)的情況下讀入數(shù)據(jù)流，然后在每次傳輸結(jié)束時(shí)，向內(nèi)核發(fā)出中斷。

停止模式的工作方式與自動(dòng)緩沖DMA類似，區(qū)別在于各寄存器在DMA結(jié)束后不會(huì)重新載入，因 此整個(gè)DMA傳輸只發(fā)生一次。停止模式對(duì)于基于某種事件的一次性傳輸來說十分有用。例如，非定期地將數(shù)據(jù)塊從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。當(dāng)你需要對(duì)事件進(jìn) 行同步時(shí)，這種模式也非常有用。例如，如果一個(gè)任務(wù)必須在下一次傳輸前完成的話，則停止模式可以確保各事件發(fā)生的先后順序。此外，停止模式對(duì)于緩沖器的初 始化來說非常有用。

（2）描述符模型

基于描述符(descriptor)的DMA要求在存儲(chǔ)器中存入一組參數(shù)，以 啟動(dòng)DMA的系列操作。該描述符所包含的參數(shù)與那些通常通過編程寫入DMA控制寄存器組的所有參數(shù)相同。不過，描述符還可以容許多個(gè)DMA操作序列串在一 起。在基于描述符的DMA操作中，我們可以對(duì)一個(gè)DMA通道進(jìn)行編程，在當(dāng)前的操作序列完成后，自動(dòng)設(shè)置并啟動(dòng)另一次DMA傳輸?；诿枋龇姆绞綖楣芾?系統(tǒng)中的DMA傳輸提供了最大的靈活性 。

DMAC可以在兩種模式下運(yùn)行：無描述符存取模式和描述符存取模式。模式的選取由DCSRx[NODESCFETCH]位決定。同樣在同一時(shí)間內(nèi)，不同的通道里可以分別使用這兩種模式。通道在轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式之前必須停止數(shù)據(jù)處理。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則通道停留在停止?fàn)顟B(tài)，等待程序處理。

（1）無描述符存取模式

在無描述符存取模式下，DDADRx被保留。程序不可以向DDADRx中寫入數(shù)據(jù)，并且必須加載DSADRx、DTADRx和DCMDx寄存器。當(dāng)運(yùn)行位被設(shè)置，DMAC立刻運(yùn)行以傳輸數(shù)據(jù)。無描述符存取在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始時(shí)被執(zhí)行。

一個(gè)典型的無描述符存取操作順序如下。

1）復(fù)位后，通道處于未初始化狀態(tài)。

2）設(shè)置DCSR[RUN]位為0，設(shè)置DCSR[NODESCFETCH]位為1。

3）程序?qū)⒃吹刂穼懭隓SADR寄存器，將目標(biāo)地址寫入DTADR寄存器，將命令寫入DCMD寄存器。

4）向DCSR[RUN]位中寫入1，然后無描述符存取被執(zhí)行。

5）通道等待數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。

6）通道傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量由DCMD[SIZE]和DCMD[LENGTH]較小者決定。

7）在DCMD[LENGTH]被設(shè)置為0之前，通道等待下一次數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

8）DDADR[STOP]被設(shè)置為1，通道運(yùn)行終止。

（2） 有描述符存取模式

在有描述符存取模式下，DMAC的寄存器用內(nèi)存中的DMA描述符數(shù)據(jù)填充。多個(gè)DMA描述符可以被鏈成一個(gè)鏈表。這就允許DMA通道在一系列不連續(xù)的地址上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)典型的有描述符存取模式的操作步驟如下。

1）復(fù)位后，通道處于未初始化狀態(tài)。

2）程序?qū)⒚枋龇刂罚?6字節(jié)對(duì)齊）寫入DDADR寄存器。

3）程序向DCSR[RUN]中寫入1。

4）DMAC從DDADR標(biāo)記的地址中讀取4字長的描述符，其中各字加載情況如下：

· Word [0] -> DDADRx寄存器；

· Word [1] -> DSADRx寄存器；

· Word [2] -> DTADRx寄存器；

· Word [3] -> DCMDx寄存器。

5）通道等待數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。

6）通道傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量由DCMD[SIZE]和DCMD[LENGTH]較小者決定。

7）在DCMD[LENGTH]被設(shè)置為0之前，通道等待下一次數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

8）DDADR[STOP]被設(shè)置為1，通道運(yùn)行終止，否則繼續(xù)運(yùn)行 。

DMA控制器是內(nèi)存儲(chǔ)器同外設(shè)之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)的硬件控制電路，是一種實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)傳送的專用處理器，它必須能取代在程序控制傳送中由CPU和軟件所完成的各項(xiàng)功能；它的主要功能是：

（1）DMAC同外設(shè)之間有一對(duì)聯(lián)絡(luò)信號(hào)線——外設(shè)的DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ以及 DMAC向外設(shè)發(fā)出的DMA響應(yīng)信號(hào)DACK；

（2）DMAC在接收到DREQ后，同CPU之間也有一對(duì)聯(lián)絡(luò)信號(hào)線——DMAC向CPU 發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)(HOLD或BUSRQ)，CPU在當(dāng)前總線周期結(jié)束后向DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)(HLDA或BUSAK)，DMAC接管對(duì)總線的控制權(quán)，進(jìn)入DMA操作方式；

（3）能發(fā)出地址信息，對(duì)存儲(chǔ)器尋址，并修改地址指針，DMAC內(nèi)部必須有能自動(dòng)加1或減1的地址寄存器；

（4）能決定傳送的字節(jié)數(shù)，并能判斷DMA傳送是否結(jié)束。DMA內(nèi)部必須有能自動(dòng)減1的字計(jì)數(shù)寄存器，計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生終止計(jì)數(shù)信號(hào)；

（5）能發(fā)出DMA結(jié)束信號(hào)，釋放總線，使CPU恢復(fù)總線控制權(quán)；

（6）能發(fā)出讀、寫控制信號(hào)，包括存儲(chǔ)器訪問信號(hào)和I/O訪問信號(hào)。DMAC內(nèi)部必須有時(shí)序和讀寫控制邏輯。 有些DMAC芯片和模塊在這些基本功能的基礎(chǔ)上還增加了一些新的功能。如：在DMA傳送結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)；在傳送完一個(gè)字節(jié)數(shù)后輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，用于記錄已傳送的字節(jié)數(shù)、為外部提供周期性的脈沖序列；在一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送完后能自動(dòng)裝入新的起始地址和字節(jié)數(shù)，以便重復(fù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊或?qū)讉€(gè)數(shù)據(jù)塊鏈接起來傳送；產(chǎn)生兩個(gè)存儲(chǔ)器地址，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的傳送以及能夠?qū)/O設(shè)備尋址，實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與I/O設(shè)備之間的傳送以及能夠在傳送過程中檢索某一特定字節(jié)或者進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)等等。

一個(gè)DMA控制器，實(shí)際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路，這個(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

（1）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器：用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在 DMA傳送前，須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置(首地址)送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng) DMA 傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。

（2）字計(jì)數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度(多少字?jǐn)?shù))。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”。當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。

（3）數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)(一個(gè)字)。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備(如磁盤)送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。

（4）DMA請(qǐng)求”標(biāo)志：每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使“DMA

請(qǐng)求”標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請(qǐng)求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請(qǐng)求(HOLD)，CPU響應(yīng)此請(qǐng)求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號(hào)后發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，使“DMA 請(qǐng)求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。

（5）控制/狀態(tài)”邏輯：由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型(輸入或輸出)，并對(duì)“DMA請(qǐng)求”信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。

（6）中斷機(jī)構(gòu)：當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷報(bào)告。