一文詳解ZYNQ中的DMA與AXI4總線

ZYNQ中DMA與AXI4總線

為什么在ZYNQ中DMA和AXI聯(lián)系這么密切？通過上面的介紹我們知道ZYNQ中基本是以AXI總線完成相關(guān)功能的：

圖4?34 連接 PS 和 PL 的 AXI 互聯(lián)和接口的構(gòu)架

在ZYNQ中，支持AXI-Lite，AXI4和AXI-Stream三種總線，但PS與PL之間的接口卻只支持前兩種，AXI-Stream只能在PL中實(shí)現(xiàn)，不能直接和PS相連，必須通過AXI-Lite或AXI4轉(zhuǎn)接。PS與PL之間的物理接口有9個(gè)，包括4個(gè)AXI-GP接口和4個(gè)AXI-HP接口、1個(gè)AXI-ACP接口。

Xilinx提供的從AXI到AXI-Stream轉(zhuǎn)換的IP核有：AXI-DMA，AXI-Datamover，AXI-FIFO-MM2S以及AXI-vDMA等

AXI-DMA：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的轉(zhuǎn)換

AXI-FIFO-MM2S：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL通用傳輸通道AXI-GP<----->AXI-Stream的轉(zhuǎn)換

AXI-Datamover：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的轉(zhuǎn)換，只不過這次是完全由PL控制的，PS是完全被動的。

AXI-VDMA：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的轉(zhuǎn)換，只不過是專門針對視頻、圖像等二維數(shù)據(jù)的。

除了上面的還有一個(gè)AXI-CDMA IP核，這個(gè)是由PL完成的將數(shù)據(jù)從內(nèi)存的一個(gè)位置搬移到另一個(gè)位置，無需CPU來插手。

上面的IP是完成總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，如果需要做某些處理（如變換、迭代、訓(xùn)練……），則需要生成一個(gè)自定義Stream類型IP，與上面的Stream接口連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出。用戶的功能在自定義Stream類型IP中實(shí)現(xiàn)。

綜上，在ZYNQ中DMA和AXI是不可分割的兩者，所以介紹DMA也是必須的。

1.1.1DMA簡介

DMA是一種內(nèi)存訪問技術(shù)，允許某些計(jì)算機(jī)內(nèi)部的硬件子系統(tǒng)可以獨(dú)立的直接讀寫內(nèi)存，而不需要CPU介入處理，從而不需要CPU的大量中斷負(fù)載，否則，CPU需要從來源把每一片段的數(shù)據(jù)復(fù)制到寄存器，然后在把他們再次寫回到新的地方，在這個(gè)時(shí)間里，CPU就無法執(zhí)行其他的任務(wù)。

DMA是一種快速數(shù)據(jù)傳送方式，通常用來傳送數(shù)據(jù)量較多的數(shù)據(jù)塊。使用DMA時(shí)，CPU向DMA控制器發(fā)送一個(gè)存儲器傳輸請求，這樣當(dāng)DMA控制器在傳輸?shù)臅r(shí)候，CPU執(zhí)行其他的操作，傳輸完成時(shí)DMA以中斷的方式通知CPU。

DMA傳輸過程的示意圖為：

圖4?35 DMA傳輸過程的示意圖

DMA的傳輸過程為：

1、為了配置用DMA傳輸數(shù)據(jù)到存儲器，處理器（Cortex-A9）發(fā)出一條指令。

2、DMA控制器把數(shù)據(jù)從外設(shè)傳輸?shù)酱鎯ζ骰蛘邚拇鎯ζ鱾鬏數(shù)酱鎯ζ?，從而較少CPU處理的事務(wù)量。

3、輸出傳輸完成后，向CPU發(fā)出一個(gè)中斷通知DMA傳輸可以關(guān)閉。

為了發(fā)起傳輸事務(wù)，DMA控制器必須得到以下信息：

（1）、源地址——數(shù)據(jù)被讀出的地址

（2）、目的地址——數(shù)據(jù)被寫入的地址

（3）、傳輸長度——應(yīng)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)

我們可以理解，無論是程序控制方式還是中斷控制方式，數(shù)據(jù)的傳輸都必須經(jīng)過處理器。而在一個(gè)嵌入式微處理器為主控的應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)在存儲器和外設(shè)之間傳輸時(shí)，采用程序控制方式顯然不合適，但是若采用中斷控制方式，會造成中斷次數(shù)過于頻繁，不僅速度上不去，還需要處理器及時(shí)干預(yù)進(jìn)行處理，大大降低了工作的效率。

然而，使用DMA的好處就是它不需要CPU的干預(yù)而直接服務(wù)外設(shè)，這樣CPU就可以去處理別的事務(wù)，從而提高系統(tǒng)的效率，對于慢速設(shè)備，其作用只是降低CPU的使用率，但對于高速設(shè)備，它不只是降低CPU的使用率，而且能大大提高硬件設(shè)備的吞吐量。因?yàn)閷τ谶@種設(shè)備，CPU直接供應(yīng)數(shù)據(jù)的速度太低。因CPU只能一個(gè)總線周期最多存取一次總線，而且對于處理器，它不能把內(nèi)存中A地址的值直接搬到B地址。它只能先把A地址的值搬到一個(gè)寄存器，然后再從這個(gè)寄存器搬到B地址。也就是說，對于處理器，要花費(fèi)兩個(gè)總線周期才能將A地址的值送到B地址。而DMA就不同了，一般系統(tǒng)中的DMA都有突發(fā)（Burst）傳輸?shù)哪芰?，在這種模式下，DMA能一次傳輸幾個(gè)甚至幾十個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以使用DMA能使設(shè)備的吞吐能力大為增強(qiáng)。

鑒于上面的優(yōu)勢，系統(tǒng)中使用DMA是必要的，能夠提高數(shù)據(jù)吞吐量，減輕了ＣＰＵ的負(fù)擔(dān)，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。

說了這么多優(yōu)點(diǎn)，那么DMA缺點(diǎn)是什么呢？DMA傳送期間CPU被掛起，部分或完全失去對系統(tǒng)總線的控制，這可能會影響CPU對中斷請求的及時(shí)響應(yīng)與處理。因此，在一些小系統(tǒng)或速度要求不高、數(shù)據(jù)傳輸量不大的系統(tǒng)中，一般并不用DMA方式。因?yàn)镈MA允許外設(shè)直接訪問內(nèi)存，從而形成對總線的獨(dú)占。這在實(shí)時(shí)性強(qiáng)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式開發(fā)中將會造成中斷延時(shí)過長。

DMAC為DMA控制器

DMA傳送雖然脫離CPU的控制，但并不是說DMA傳送不需要進(jìn)行控制和管理。通常是采用DMA控制器來取代CPU，負(fù)責(zé)DMA傳送的全過程控制。目前DMA控制器都是可編程的大規(guī)模集成芯片。

圖4?36 DMAC結(jié)構(gòu)

DMA控制器是內(nèi)存儲器同外設(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)之間有一對聯(lián)絡(luò)信號線--外設(shè)的DMA請求信號DREQ以及 DMAC向外設(shè)發(fā)出的DMA響應(yīng)信號DACK;（如下圖）
(2)DMAC在接收到DREQ后，同CPU之間也有一對聯(lián)絡(luò)信號線--DMAC向CPU 發(fā)出總線請求信號(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(HLDA或BUSAK)，DMAC接管對總線的控制權(quán)，進(jìn)入DMA操作方式;
(3)能發(fā)出地址信息，對存儲器尋址，并修改地址指針，DMAC內(nèi)部必須有能自動加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;
(5)能發(fā)出DMA結(jié)束信號，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，包括存儲器訪問信號和I/O訪問信號。DMAC內(nèi)部必須有時(shí)序和讀寫控制邏輯。

圖4?37 DMAC在DMA中的作用示意圖（一）

圖4?38 DMAC在DMA中的作用示意圖（二）