NiosⅡ系統(tǒng)中DMA控制器的原理及應(yīng)用 - 全文

　　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)。

　　（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。基于寄存器的DMA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。

　?。?）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。

　　（5）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：

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

　　（2） dma控制器向cpu發(fā)出hold信號請求占用總線；

　　（3） 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)；

　?。?） 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)。

　　1.2dma寄存器組描述

　　dma控制器共有8個32位寄存器，其中5個為當(dāng)前有效的寄存器，另外3個為以后擴展所用。寄存器的映射表如表1所示。 表1dma控制器內(nèi)部寄存器映射表

　　偏移量寄存器名稱功能0狀態(tài)寄存器指示dma控制器內(nèi)部 的詳細情況1源地址寄存器讀取數(shù)據(jù)的起始地址2目的地址寄存器寫入數(shù)據(jù)的起始地址3數(shù)據(jù)長度寄存器從讀端口傳輸?shù)?寫端口的字節(jié)數(shù)6控制寄存器設(shè)置dma的工作方式

　　狀態(tài)寄存器的每個狀態(tài)位指示dma控制器內(nèi)部的詳細情況。

　　位編號位名稱描述0donedma傳輸完成。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)包結(jié)束信號或指定長度的數(shù)據(jù)傳輸完成時，done位為1。寫0到狀態(tài)寄存器使done位為0。1busy當(dāng)dma傳輸正在進行時，busy位為12reop當(dāng)傳輸完成事件由讀數(shù)據(jù)包結(jié)束信號引起時，reop位為13weop當(dāng)傳輸完成事件由寫數(shù)據(jù)包結(jié)束信號引起時，weop位為14len當(dāng)長度寄存器遞減為0時，len位為1.

　　源地址寄存器指定dma傳輸?shù)臄?shù)據(jù)源的起始地址；目的地址寄存器指定了dma傳輸?shù)哪繕?biāo)數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址；數(shù)據(jù)長度寄存器指定從讀端口傳輸?shù)綄懚丝诘淖止?jié)數(shù)。如果是字傳輸，則數(shù)據(jù)長度寄存器的值需乘以4；若為半字傳輸，則需乘以2。主控制器寫端口每寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)長度寄存器減1。當(dāng)數(shù)據(jù)長度寄存器為0時，狀態(tài)寄存器的len位置位；控制寄存器每個位設(shè)定dma的工作方式?？刂萍拇嫫髅總€位的意義如表3所示。dma傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度用字節(jié)、半字、字、雙字和4字位指定。這些位只能有一位設(shè)置為1。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾扔?個讀/寫傳輸設(shè)備中傳輸寬度窄的一方?jīng)Q定。例如，將數(shù)據(jù)從16位的外部sdram存儲器中搬移到內(nèi)部32位的片內(nèi)存儲器時，傳輸數(shù)據(jù)寬度應(yīng)該設(shè)置為半字。

　　表3控制寄存器位

　　位編號位名稱描述0byte設(shè)置為字節(jié)（8位）方式傳輸1hw設(shè)置為半字（16位）方式傳輸2word設(shè)置為字（32位）方式傳輸3go使能dma傳輸。當(dāng)設(shè)置為1且數(shù)據(jù)長度寄存器不為0時，開始dma傳輸4i_en使能中斷（irq）。當(dāng)i_en為1時，若狀態(tài)寄存器的done位也為1，則dma控制器產(chǎn)生中斷請求。5reen終止讀數(shù)據(jù)傳輸。6ween終止寫數(shù)據(jù)傳輸。7leen數(shù)據(jù)長度寄存器為0時傳輸結(jié)束。當(dāng)leen位為1時，若數(shù)據(jù)長度寄存器達到0時，則結(jié)束dma傳輸。8rcon讀地址固定。當(dāng)rcon為0時，讀地址在每次數(shù)據(jù)傳輸后增加；當(dāng)rcon為1時，讀地址在每次數(shù)據(jù)傳輸后不增加。9wcon寫地址固定。當(dāng)wcon為0時，寫地址在每次數(shù)據(jù)傳輸后增加；當(dāng)wcon為1時，寫地址在每次數(shù)據(jù)傳輸后不增加。10doubleword設(shè)置為雙字（64位）方式傳輸。11quadword設(shè)置為4字（128位）方式傳輸。

　　1.3軟件編程

　　altera 提供了hal dma設(shè)備的驅(qū)動程序［45］，該驅(qū)動程序把dma傳輸抽象成2種數(shù)據(jù)通道：發(fā)送數(shù)據(jù)通道和接收數(shù)據(jù)通道。當(dāng)存儲器從外設(shè)接收數(shù)據(jù)時，使用數(shù)據(jù)接收通道；當(dāng)存儲器向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用數(shù)據(jù)發(fā)送通道；當(dāng)存儲器間進行數(shù)據(jù)傳輸時，既要使用數(shù)據(jù)接收通道又要使用數(shù)據(jù)發(fā)送通道。與dma發(fā)送數(shù)據(jù)通道相關(guān)的函數(shù)有

　　alt_dma_txchan_open（），alt_dma_txchan_send（），

　　alt_dma_txchan_space（），alt_dma_txchan_ioctl（），

　　alt_dma_txchan_close（）；而與dma接收數(shù)據(jù)通道相關(guān)的函數(shù)

　　alt_dma_rxchan_open（），alt_dma_rxchan_prerare（），

　　alt_dma_rxchan_depth（），alt_dma_rxchan_ioctl（）。

　　alt_dma_txchan_open（）和alt_dma_rxchan_open（）

　　函數(shù)分別打開dma控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)通道和接收數(shù)據(jù)通道，獲得dma控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)通道和接收數(shù)據(jù)通道的句柄，返回非0值表示成功。

　　調(diào)用alt_dma_txchan_send（）函數(shù)產(chǎn)生一次dma發(fā)送數(shù)據(jù)請求。其函數(shù)原型為int alt_dma_txchan_send（alt_dma_txchan dma，const void* from ，alt_u32 length， alt_ txchan_done* done ，void* handle）。調(diào)用此函數(shù)時，length字節(jié)長度的數(shù)據(jù)將從地址from處被發(fā)送。當(dāng)發(fā)送結(jié)束時，函數(shù)返回值為非負則表示dma傳輸成功，否則表示傳輸失敗。當(dāng)傳輸結(jié)束時，回調(diào)函數(shù)done將被執(zhí)行，handle為函數(shù)done的參數(shù)。

　　dma接收函數(shù)的用法與dma發(fā)送函數(shù)的用法大致相同，其函數(shù)原型為 int alt_dma_rxchan_prepare（alt_dma_rxchan dma，const void* data ，alt_u32 length， alt_ txchan_done* done ，void* handle）。參數(shù)data表示dma接收數(shù)據(jù)存放的起始地址。length表示接收數(shù)據(jù)的長度，單位為字節(jié)。函數(shù)返回值為非負表示接收成功。當(dāng)接收結(jié)束時，回調(diào)函數(shù)done將被執(zhí)行，handle為函數(shù)done的參數(shù)。另外，與發(fā)送通道和接收通道相關(guān)的還各有2個函數(shù)。與發(fā)送通道相關(guān)的函數(shù)為alt_dma_txchan_space（）和alt_dma_txchan_ioctl（）。alt_dma_txchan_space（）返回傳送到dma發(fā)送信道的發(fā)送請求數(shù)目。alt_dma_txchan_ioctl（）則是執(zhí)行了與器件相關(guān)的控制操作。與接收通道相關(guān)的函數(shù)為：

　　alt_dma_rxchan_depth（）和alt_dma_rxchan_ioctl（）。alt_dma_rxchan_depth（）函數(shù)返回dma接收通道的最大接收請求數(shù)。alt_dma_rxchan_ioctl（）執(zhí)行了與器件相關(guān)的控制操作。

　　2、dma控制器應(yīng)用舉例

　　在軟硬件的調(diào)試過程中，有時需要將內(nèi)存中的一段數(shù)據(jù)通過串口打印出來，作為調(diào)試信息，這時就可利用dma技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。圖2為在sopc builder中構(gòu)建的dma傳輸?shù)挠布B接圖，實現(xiàn)了sdram到串口的數(shù)據(jù)傳輸。

　　圖2硬件連接圖如下的程序?qū)崿F(xiàn)了將sdram中以chr為起始地址的20個字節(jié)的數(shù)據(jù)通過dma方式發(fā)送到串口。其實現(xiàn)的核心代碼如下：

　　3、結(jié)語

　　在某雷達信號網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字傳輸系統(tǒng)的研制中，將雷達信號接口單元與網(wǎng)絡(luò)接口單元分別映射為nios ⅱ系統(tǒng)中的2個外設(shè)，利用外設(shè)間的dma方式進行數(shù)據(jù)傳輸。實踐證明，利用dma方式進行數(shù)據(jù)傳輸，cpu可從繁重的數(shù)據(jù)傳輸工作中釋放出來，提高了cpu進行數(shù)據(jù)處理的能力。