經(jīng)驗(yàn)分享 | DMA助力實(shí)時(shí)控制

直接存儲(chǔ)器訪問（DMA,Direct Memory Access)的優(yōu)點(diǎn)

· 提高系統(tǒng)效率：通過繞過CPU，DMA顯著減少了數(shù)據(jù)傳輸對(duì)CPU資源的占用，使得CPU能夠?qū)Ｗ⒂谄渌?jì)算任務(wù)，提升了系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度和處理能力。

·加快數(shù)據(jù)傳輸速度：針對(duì)多總線高性能MCU,DMA可以避免不同總線同步問題，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

·降低系統(tǒng)延遲：由于減少了CPU參與數(shù)據(jù)搬運(yùn)的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)延遲顯著降低，這對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和高性能計(jì)算應(yīng)用至關(guān)重要，確保了數(shù)據(jù)的即時(shí)處理和反饋。

·簡化軟件設(shè)計(jì)：DMA控制器的硬件自動(dòng)化處理降低了軟件層面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜管理，使得軟件設(shè)計(jì)更為簡潔，降低了開發(fā)難度和維護(hù)成本。

先楫產(chǎn)品中，有大量支持DMA的設(shè)備，其中USB、Ethernet、ADC、DAC等有自己的內(nèi)部DMA，AHB和AXI總線上還有公共的DMA設(shè)備——HDMA、XDMA。

HDMA、XDMA都是多通道DMA，可以通過DMAMUX實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)傳輸。

HDMA、XDMA分別接入AHB和AXI總線，在總線內(nèi)部傳輸效率更高，可以支持8-64bit數(shù)據(jù)寬度的傳輸。

本文將通過兩個(gè)應(yīng)用案例，說明DMA在如何在實(shí)時(shí)控制中提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

DMA準(zhǔn)確控制

下圖是典型伺服三環(huán)的控制框圖，其中編碼器是控制的關(guān)鍵反饋，除了準(zhǔn)確讀取位置之外，還需要通過不同時(shí)刻讀取位置計(jì)算轉(zhuǎn)速。讀取位置的時(shí)刻在伺服閉環(huán)中占非常關(guān)鍵的作用。

常見位置讀取方式是在定時(shí)中斷中讀取位置，確保讀取間隔時(shí)刻一致。但由于軟件響應(yīng)時(shí)間不確定，讀取間隔很難保證一致。

本文通過DMA+鏈表方式實(shí)現(xiàn)HPM6200用串口與多摩川編碼器定時(shí)通訊的方式。多摩川編碼器通訊協(xié)議見下圖：

例程通過PWM定期觸發(fā)DMA，由DMA啟動(dòng)串口讀取動(dòng)作。DMA動(dòng)作完成后利用鏈?zhǔn)絺鬏?，可以?a target="_blank">處理器不介入的情況下，連續(xù)完成多個(gè)不同配置的傳輸任務(wù)。

程序中使用了PWM、DMA、UART三個(gè)模塊

· PWM負(fù)責(zé)定時(shí)輸出DMA觸發(fā)信號(hào);

· DMA接收觸發(fā)信號(hào)后將采樣命令寫入U(xiǎn)ART的THR寄存器;

· UART負(fù)責(zé)收發(fā)位置傳感器信息，其中接收建議使用硬件idle+FIFO模式。

先楫的UART有硬件收發(fā)使能控制，只需要DE設(shè)置為有效，485通訊可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)收發(fā)方向控制，無須CPU干預(yù)。

HPMICRO

HPM6280集成了9個(gè)UART模塊：

除了常規(guī)配置之外，還支持硬件空閑中斷

支持16 字節(jié)的 TXFIFO 和 RXFIFO

硬件收發(fā)使能自動(dòng)控制

通過簡單配置即可實(shí)現(xiàn)2.5Mbps通訊、RS485自動(dòng)收發(fā)使能控制、硬件空閑中斷接收數(shù)據(jù)等功能。

void config_uart(void)
{
hpm_stat_t stat;
uart_config_t config = {0};

/* if TEST_UART is same as BOARD_CONSOLE_BASE, it has been initialized in board_init(); */
uart_default_config(HPM_UART7, &config);
config.baudrate = 2500000UL;
config.fifo_enable = true;
//config.dma_enable = true;
clock_set_source_divider(clock_uart7, clk_src_pll0_clk0, 5);//80Mhz
clock_add_to_group(clock_uart7, 0);
config.src_freq_in_hz = clock_get_frequency(clock_uart7);//clock_get_frequency(clock_uart0);
config.rx_fifo_level = uart_rx_fifo_trg_gt_three_quarters;/* this config should not change *///uart_rx_fifo_trg_not_empty;
config.rxidle_config.detect_enable = true;
config.rxidle_config.detect_irq_enable = true;
config.rxidle_config.idle_cond = uart_rxline_idle_cond_rxline_logic_one;
config.rxidle_config.threshold = 20U; /* 20bit */
stat = uart_init(HPM_UART7, &config);
if (stat != status_success) {
printf("failed to initialize uart\n");
}
//uart_enable_irq(HPM_UART0, uart_intr_rx_data_avail_or_timeout);
intc_m_enable_irq_with_priority(IRQn_UART7, 1);
}

HPMICRO

下面DMA配置啟用了鏈?zhǔn)絺鬏敚瑢?shí)現(xiàn)DMA循環(huán)觸發(fā)UART讀取位置信息。

構(gòu)建兩個(gè)相互鏈接的 DMA 任務(wù)描述符列表。DMA控制器會(huì)在完成當(dāng)前任務(wù)描述符的相應(yīng)任務(wù)后，從 ChnLLPointer指向地址取下一個(gè)任務(wù)描述符。下一個(gè)任務(wù)描述符又關(guān)聯(lián)當(dāng)前描述符，如此互鎖，無限循環(huán)。

描述符中DMA配置目標(biāo)數(shù)據(jù)為握手模式，UART設(shè)備返回接收數(shù)據(jù)完畢信號(hào)。

為確保uart數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確傳輸，DMA的高優(yōu)先級(jí)標(biāo)志位要設(shè)置為1。

{
hpm_stat_t stat;
dma_channel_config_t rx_ch_config = { 0 };
dmamux_config(HPM_DMAMUX, ch_num, HPM_DMA_SRC_MOT0_0, true);
/* 1.1 config chain descriptors */
dma_default_channel_config(HPM_HDMA, &rx_ch_config);
rx_ch_config.src_addr = src;
rx_ch_config.src_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_BYTE; /* In DMA handshake case, source width and destination width must be BYTE. */
rx_ch_config.src_addr_ctrl = DMA_ADDRESS_CONTROL_INCREMENT;
rx_ch_config.src_mode = DMA_HANDSHAKE_MODE_NORMAL;
rx_ch_config.dst_addr = (uint32_t)&uart_ptr->THR;
rx_ch_config.dst_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_BYTE; /* In DMA handshake case, source width and destination width must be BYTE. */
rx_ch_config.dst_addr_ctrl = DMA_ADDRESS_CONTROL_FIXED;
rx_ch_config.dst_mode = DMA_HANDSHAKE_MODE_HANDSHAKE;
rx_ch_config.size_in_byte = 1;
rx_ch_config.priority = 1;
rx_ch_config.src_burst_size = DMA_NUM_TRANSFER_PER_BURST_1T; /* In DMA handshake case, source burst size must be 1 transfer, that is 0. */
rx_ch_config.linked_ptr = core_local_mem_to_sys_address(HPM_CORE0, (uint32_t)&descriptors[1]);//link to next dma action
stat = dma_config_linked_descriptor(HPM_HDMA, &descriptors[0], ch_num, &rx_ch_config);
if (stat != status_success) {
while (1) {
};
}

rx_ch_config.linked_ptr = core_local_mem_to_sys_address(HPM_CORE0, (uint32_t)&descriptors[0]);
stat = dma_config_linked_descriptor(HPM_HDMA, &descriptors[1], ch_num, &rx_ch_config);
if (stat != status_success) {
while (1) {
};
}

HPMICRO

在PWM中配置DMA定期觸發(fā)，配置比較器匹配觸發(fā)，配置DMA輸出使能。

互聯(lián)管理器TRGM是HPM MCU中非常有特色的外設(shè)，可以通過配置實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)的輸入輸出相互連接，使得多個(gè)外設(shè)可以相互配合使用。

HPM6200中TRGM支持4個(gè)DMA 請(qǐng)求輸出，用戶可以配置TRGM，從多個(gè)DMA請(qǐng)求輸入中，選擇4個(gè)連接到 DMAMUX。本文選擇了PWM0的CMP14。

pwm_set_reload(HPM_PWM0, 0, reload);
pwm_set_start_count(HPM_PWM0, 0, 0);
pwm_set_load_counter_shadow_register_trigger(HPM_PWM0,pwm_shadow_register_update_on_modify,0);
/*
* config cmp1 and cmp2
*/
cmp_config[0].mode = pwm_cmp_mode_output_compare;
cmp_config[0].cmp = reload + 1;
cmp_config[0].update_trigger = pwm_shadow_register_update_on_hw_event;

cmp_config[1].mode = pwm_cmp_mode_output_compare;
cmp_config[1].cmp = reload + 1;
cmp_config[1].update_trigger = pwm_shadow_register_update_on_hw_event;

cmp_config[2].mode = pwm_cmp_mode_output_compare;//channel to update compare shadow
cmp_config[2].cmp = reload;
cmp_config[2].update_trigger = pwm_shadow_register_update_on_modify;

cmp_config[3].mode = pwm_cmp_mode_output_compare;//dma trigger channel
cmp_config[3].cmp = reload-100;
cmp_config[3].update_trigger = pwm_shadow_register_update_on_modify;

pwm_get_default_pwm_pair_config(HPM_PWM0, &pwm_pair_config);
pwm_pair_config.pwm[0].enable_output = true;
pwm_pair_config.pwm[0].dead_zone_in_half_cycle = 8000;
pwm_pair_config.pwm[0].invert_output = false;

pwm_pair_config.pwm[1].enable_output = true;
pwm_pair_config.pwm[1].dead_zone_in_half_cycle = 16000;
pwm_pair_config.pwm[1].invert_output = false;

/*
* config pwm
*/
if (status_success != pwm_setup_waveform_in_pair(HPM_PWM0, 0, &pwm_pair_config, cmp_index, cmp_config, 2)) {
printf("failed to setup waveform\n");
while(1);
}
//====================set dma trriger from cmp[14]============================
pwm_config_cmp(HPM_PWM0, 14, &cmp_config[3]);//dma trigger
pwm_enable_dma_request(HPM_PWM0,1<<14);//enable pwm signal output to dma
trgm_dma_request_config(HPM_TRGM0,0,14);//connect cmp14 to HPM_DMA_SRC_MOT0_0

HPMICRO

下圖是DMA以20kHz觸發(fā)UART定期輸出的波形，定期輸出0X1A，讀取多摩川傳感器中全部信息。

DMA加速傳輸

HPM5300、HPM6800、HPM6E00引入了DMAv2，增加了無限循環(huán)、DMA傳輸一半中斷，并修改了burst傳輸長度定義。

下文將列舉一個(gè)buck-boost電源應(yīng)用通過DMAv2更新PWM的例子，演示DMA加速傳輸?shù)姆椒ê托Ч?/span>

例程選用了兩路交錯(cuò)buck-boost電路。

高效電源對(duì)功率密度有更高的要求，更高的開關(guān)頻率可以降低主回路中電感和電容體積，實(shí)際應(yīng)用中，中小功率的電源開關(guān)頻率可達(dá)100khz以上，頻繁的調(diào)節(jié)對(duì)CPU的運(yùn)算能力和讀寫外設(shè)的速度有更高的要求。

HPM5300單次寫PWM寄存器至少需要5個(gè)AHB時(shí)鐘(HPM6700、HPM6300時(shí)間更長)，例程使用了8個(gè)PWM比較寄存器，CPU時(shí)鐘為480Mhz、AHB總線為160Mhz，連續(xù)寫入時(shí)至少0.25us，相當(dāng)于120條CPU clock。

修改PWM刷新方式后，將PWM比較器寄存器的值放入DLM內(nèi)存中，更新PWM只是占用了CPU 8個(gè)訪問高速RAM的時(shí)間。

HPMICRO

與HPM6200不同，DMAv2直接支持無限循環(huán)模式，CHCTRL[CTRL].INFINITELOOP設(shè)置為1即可，不需要鏈表實(shí)現(xiàn)無限循環(huán)。

將CHCTRL[CTRL].burst_opt配置為1，burst傳輸個(gè)數(shù)不再是2的指數(shù)次方，可以根據(jù)實(shí)際需要配置。

PWM配置需要清零SHLK[SHLK]，影子寄存器鎖定功能。

其它設(shè)置與前文配置相同。

void dma_transfer_config(uint8_t DMA_chn, uint8_t PWM_num, uint32_t* CMP0)
{
//---------------configure dma channel-----------------
dma_channel_config_t ch_config = {0};
DMA_chn &= 0x1F;
dma_disable_channel(HPM_HDMA, DMA_chn);//stop channel
dmamux_config(HPM_DMAMUX, DMA_chn, HPM_DMA_SRC_MOT_0, true);//trigger source is from trgms dmacfg0
//dma_reset(APP_GPTMR_DMA);
//---------------configure dma chn0-----------------
dma_default_channel_config(HPM_HDMA, &ch_config);
ch_config.src_addr = core_local_mem_to_sys_address(HPM_CORE0, (uint32_t)&PWM_DMA_struct);//source address
//ch_config.dst_addr = (uint32_t)&HPM_PWM0->CMP[0];//destination address
ch_config.dst_addr = (uint32_t)CMP0;//destination address
ch_config.src_mode = DMA_HANDSHAKE_MODE_HANDSHAKE;//hand shake mode waiting trigger signal
ch_config.src_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_WORD;// 32bit
ch_config.src_addr_ctrl = DMA_ADDRESS_CONTROL_INCREMENT;
ch_config.burst_opt = DMA_SRC_BURST_OPT_CUSTOM_SIZE;//burst size is actural number rather than 2^num
ch_config.src_burst_size = PWM_num;
ch_config.dst_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_WORD;//32bit
ch_config.dst_addr_ctrl = DMA_ADDRESS_CONTROL_INCREMENT;
ch_config.dst_mode = DMA_HANDSHAKE_MODE_NORMAL;//normal
ch_config.en_infiniteloop = true;//dma will react if transize has been completed
ch_config.size_in_byte = PWM_num*4;
ch_config.linked_ptr = 0;//no link
if (status_success != dma_setup_channel(HPM_HDMA, DMA_chn, &ch_config, true)) {
printf(" dma setup channel failed\n");
return;
}
}

HPM系列MCU包含了強(qiáng)大互聯(lián)管理器和DMA模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)外設(shè)無限循環(huán)的觸發(fā)DMA，不需要占用CPU時(shí)間每次配置DMA觸發(fā)外設(shè)。

DMA直接觸發(fā)外設(shè)動(dòng)作，將極大提高系統(tǒng)動(dòng)作的一致性。伺服客戶對(duì)比之前中斷觸發(fā)讀取位置與DMA觸發(fā)讀取位置效果：在2000rpm時(shí)，中斷觸發(fā)讀取位置得到的計(jì)算最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為20rpm，改為DMA觸發(fā)后波動(dòng)降為2rpm。

微逆應(yīng)用中，同時(shí)變頻、變占空比時(shí)，通過DMA定時(shí)修改PWM比較器和周期寄存器數(shù)值消除了同時(shí)修改后造成的波形偶發(fā)異常問題。

電源應(yīng)用中，開關(guān)頻率往往超過100kHz，對(duì)CPU的利用率要求更高，且對(duì)PWM、ACMP讀寫頻率和內(nèi)容更多，DMA讀寫可以有限減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高CPU效率。