NiosⅡ系統(tǒng)中DMA控制器的原理及應(yīng)用

　　一、DMA控制器介紹

　　DMA控制器是一種在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的獨特外設(shè)，可以將其視為一種能夠通過一組專用總線將內(nèi)部和外部存儲器與每個具有DMA能力的外設(shè)連接起來的控制器。它之所以屬于外設(shè)，是因為它是在處理器的編程控制下來 執(zhí)行傳輸?shù)摹?/p>

　　傳輸結(jié)構(gòu)與設(shè)置

　　目前有兩類主要的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的幾種信息都會在DMA控制器中出現(xiàn)。當(dāng)DMA以寄存器模式工作時，DMA控制器只是簡單地利用寄存器中所存儲的參數(shù)值。在描述符模式中，DMA控制器在存儲器中查找自己的配置參數(shù)。

　?。?）基于寄存器的DMA

　　在基于寄存器的DMA內(nèi)部，處理器直接對DMA控制寄存器進行編程，來啟動傳輸?；诩拇嫫鞯腄MA提供了最佳的DMA控制器性能，因為寄存器并不需要不斷地從存儲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?；诩拇嫫鞯腄MA由兩種子模式組成：自動緩沖（Autobuffer）模式和停止模式。在自動緩沖DMA中，當(dāng)一個傳輸塊傳輸完畢，控制寄存器就自動重新載入其最初的設(shè)定值，同一個DMA進程重新啟動，開銷為零。如果將一個自動緩沖DMA設(shè)定為從外設(shè)傳輸一定數(shù)量的字到 L1數(shù)據(jù)存儲器的緩沖器上，則DMA控制器將會在最后一個字傳輸完成的時刻就迅速重新載入初始的參數(shù)。這構(gòu)成了一個“循環(huán)緩沖器”，因為當(dāng)一個量值被寫入 到緩沖器的最后一個位置上時，下一個值將被寫入到緩沖器的第一個位置上。

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

　　停止模式的工作方式與自動緩沖DMA類似，區(qū)別在于各寄存器在DMA結(jié)束后不會重新載入，因 此整個DMA傳輸只發(fā)生一次。停止模式對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)塊從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置。當(dāng)你需要對事件進 行同步時，這種模式也非常有用。例如，如果一個任務(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，停止模式對于緩沖器的初 始化來說非常有用。

　?。?）描述符模型

　　基于描述符（descriptor）的DMA要求在存儲器中存入一組參數(shù)，以 啟動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，我們可以對一個DMA通道進行編程，在當(dāng)前的操作序列完成后，自動設(shè)置并啟動另一次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。

　　基本組成

　?。?）內(nèi)存地址計數(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)存地址計數(shù)器。而當(dāng) DMA 傳送時，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計數(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。

　?。?）字計數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字數(shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字數(shù)通常以補碼形式表示。在DMA傳送時，每傳送一個字，字計數(shù)器就加“1”。當(dāng)計數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進位時，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。

　?。?）數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個字）。當(dāng)輸入時，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，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請求”標(biāo)志：每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號，使“DMA

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

　?。?）控制/狀態(tài)”邏輯：由控制和時序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計數(shù)器和字計數(shù)器，指定傳送類型（輸入或輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應(yīng)信號進行協(xié)調(diào)和同步。

　?。?）中斷機構(gòu)：當(dāng)字計數(shù)器溢出時，意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機構(gòu)，向CPU提出中斷報告。

　　二、NiosⅡ介紹

　　Nios Ⅱ嵌入式處理器是ALTERA公司推出的采用哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器， 其最大優(yōu)勢和特點是模塊化的硬件結(jié)構(gòu)， 以及由此帶來的靈活性和可裁減性。

　　NiosⅡ特點

　　Nios II系列支持使用專用指令。專用指令是用戶增加的硬件模塊，它增加了算術(shù)邏輯單元（ALU）。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個Nios II處理器創(chuàng)建多達256個專用指令，這使得設(shè)計者能夠細致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標(biāo)。專用指令邏輯和本身Nios II指令相同，能夠從多達兩個源寄存器取值，可選擇將結(jié)果寫回目標(biāo)寄存器。同時，Nios II系列支持60多個外設(shè)選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能?！ios II系列能夠滿足任何應(yīng)用32位嵌入式微處理器的需要，客戶可以將第一代Nios處理器設(shè)計移植到某種Nios II處理器上，Altera將長期支持現(xiàn)有FPGA系列上的第一代Nios處理器。另外，Altera提供了一鍵式移植選項，可以升級至Nios II系列。Nios II處理器也能夠在HardCopy器件中實現(xiàn)，Altera還為基于Nios II處理器的系統(tǒng)提供ASIC的移植方式。

　　開發(fā)環(huán)境

　　Nios II處理器具有完善的軟件開發(fā)套件，包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、JTAG調(diào)試器、實時操作系統(tǒng)（RTOS）和TCP/IP協(xié)議棧。設(shè)計者能夠用Altera Quartus II開發(fā)軟件中的SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加Nios II處理器核的數(shù)量。

　　使用Nios II軟件開發(fā)工具能夠為Nios II系統(tǒng)構(gòu)建軟件，即一鍵式自動生成適用于系統(tǒng)硬件的專用C/C++運行環(huán)境。Nios II集成開發(fā)環(huán)境（IDE）提供了許多軟件模板，簡化了項目設(shè)置。此外，Nios II開發(fā)套件包括兩個第三方實時操作系統(tǒng)（RTOS）——MicroC/OS-II（Micrium），Nucleus Plus（ATI/Mentor）以及供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用的TCP/IP協(xié)議棧。

　　三、NiosⅡ系統(tǒng)中DMA控制器的原理及應(yīng)用

　　1、dma控制器的原理

　　1.1dma功能介紹

　　nios ⅱ中的dma控制器包含2個avalonmm類型的主控制器端口（讀端口和寫端口），1個用于dma控制avalonmm類型的從端口以及內(nèi)部一些寄存器組所構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

? ? ? ?圖1dma控制器的結(jié)構(gòu)圖dma控制器可以將數(shù)據(jù)從源地址搬移到目的地址。源地址或者目的地址可以是存儲器中的一段地址范圍也可以是avalon從控制器的外設(shè)。因此，在nios ⅱ系統(tǒng)中，存在3種類型的dma操作，即存儲器到外設(shè)，外設(shè)到存儲器以及存儲器到存儲器。dma控制器還具備流處理能力，允許固定或者可變長度的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)dma操作結(jié)束時，dma控制器發(fā)出中斷（irq）請求。典型的dma數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

　　（1） cpu通過寫控制端口配置dma控制器用于數(shù)據(jù)傳輸；

　?。?） dma控制器向cpu發(fā)出hold信號請求占用總線；

　?。?） cpu響應(yīng)dma控制器的請求，并讓出總線，dma控制器獲得總線的控制權(quán)；

　?。?） dma控制器讀端口從源地址讀數(shù)據(jù)，寫端口向目的地址寫數(shù)據(jù)，讀寫端口間利用fifo緩存數(shù)據(jù)；

　　（5） 當(dāng)傳輸完指定的數(shù)據(jù)時，dma傳輸結(jié)束并向nios ⅱ cpu發(fā)出中斷請求；

　?。?） cpu響應(yīng)中斷請求，dma交出總線控制權(quán)。