YTM32的DMA控制器要點(diǎn)簡(jiǎn)析

引言

考慮到DMA是一個(gè)AHB Master設(shè)備，可以同處理器內(nèi)核一樣，主動(dòng)向總線發(fā)起傳輸請(qǐng)求，將“小臟手”伸向各總線上掛載的各外設(shè)模塊，因此，我更愿意把DMA看做是處理器核心服務(wù)的一部分，甚至把它當(dāng)成一個(gè)小核或者協(xié)處理器都不為過。

DMA可以在CPU之外，捕獲到觸發(fā)信號(hào)后，自行搬運(yùn)數(shù)據(jù)從指定地址到另一個(gè)指定地址，并且還可以根據(jù)預(yù)先的配置自動(dòng)計(jì)算下一次搬運(yùn)的地址。使用DMA可以有效地節(jié)約CPU處理海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)載?？梢韵胍?，如果使用中斷方式處理通過外設(shè)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，CPU將會(huì)在頻繁切換中斷服務(wù)之間花費(fèi)大量的時(shí)間。

另外，DMA從DMAMUX獲取的觸發(fā)源，能夠?qū)崿F(xiàn)的自動(dòng)讀寫的操作，若是某些讀操作或者寫操作能夠產(chǎn)生額外的觸發(fā)事件，還可以傳遞觸發(fā)，形成觸發(fā)鏈，最終可實(shí)現(xiàn)一些完全不需要硬件干預(yù)的自動(dòng)化任務(wù)?？傊珼MA真心是一個(gè)功能豐富的模塊。

本文將介紹YTM32平臺(tái)上DMA的工作機(jī)制，對(duì)關(guān)鍵概念展開講解。

簡(jiǎn)介

YTM32（以YTM32B1ME05為例）微控制器上集成的DMA控制器可以支持16個(gè)通道，并且搭配了一個(gè)多達(dá)128個(gè)選項(xiàng)的DMA MUX模塊，可以對(duì)接任何一個(gè)通道。其中多個(gè)通道是復(fù)用同一個(gè)DMA控制器的，并且共用同一個(gè)數(shù)據(jù)搬運(yùn)引擎。DMA MUX管理了可以觸發(fā)DMA通道的硬件事件，每款芯片可能都不一樣（YTM32B1MD14中的DMAMUX只有64個(gè)選項(xiàng)），在具體使用時(shí)，需要從具體的芯片手冊(cè)中查表。

還需要特別注意的是，目前YTM32平臺(tái)上的DMA尚未支持異步時(shí)鐘模式，它使用core clock驅(qū)動(dòng)，僅能在普通模式下工作，在休眠模式、深度休眠以及更低功耗的休眠模式下，均停止工作。

本DMA控制器通過多個(gè)通道的傳輸任務(wù)描述符（CTS）管理搬運(yùn)數(shù)據(jù)的過程，并且還支持鏈接模式，即將多個(gè)傳輸任務(wù)描述符連鏈接在一起，形成傳輸任務(wù)鏈。

原理與機(jī)制

DMA控制器是一個(gè)AHB總線主機(jī)，但仍同普通的外設(shè)一樣，作為一個(gè)APB總線從機(jī)，被配置成合適的工作模式。DMA控制器通過DMAMUX，可以直接收集來自片上其他外設(shè)模塊發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)DMA在地址空間搬運(yùn)數(shù)據(jù)的過程。如圖x所示。

圖x DMA控制器的系統(tǒng)框圖

需要注意的是，DMA的搬運(yùn)過程是在地址空間內(nèi)操作的，可以是從內(nèi)存到內(nèi)存，從外設(shè)到外設(shè)，在內(nèi)存與外設(shè)之間等，對(duì)于DMA而言，只是搬數(shù)，至于數(shù)據(jù)映射到物理設(shè)備是外設(shè)還是內(nèi)存，均由總線負(fù)責(zé)落實(shí)。

相對(duì)于有的DMA控制器將觸發(fā)信號(hào)和搬運(yùn)數(shù)據(jù)源頭地址或目標(biāo)地址綁定的設(shè)計(jì)，YTM32的DMA控制器將觸發(fā)信號(hào)和搬運(yùn)任務(wù)所使用的地址相互獨(dú)立，例如，當(dāng)某個(gè)定時(shí)器模塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)了DMA的一個(gè)搬運(yùn)數(shù)據(jù)的任務(wù)（通道），這個(gè)任務(wù)可以將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)存中。這其中，定時(shí)器和ADC是沒有直接關(guān)聯(lián)的。

DMA通道的傳輸任務(wù)描述符

YTM32的DMA的各個(gè)通道，可以看做是各自獨(dú)立的傳輸任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都有自己的觸發(fā)條件、對(duì)觸發(fā)條件的響應(yīng)方式、搬運(yùn)數(shù)據(jù)的源地址和目的地址、搬運(yùn)數(shù)據(jù)的帶寬、搬運(yùn)數(shù)據(jù)的數(shù)量、每次搬運(yùn)完成后對(duì)搬運(yùn)過程進(jìn)行調(diào)整的策略等，如此看來，DMA控制器就是這些獨(dú)立任務(wù)的調(diào)度器，當(dāng)多個(gè)任務(wù)被同時(shí)觸發(fā)時(shí)，以一定的調(diào)度策略安排他們依次運(yùn)行。

DMA通道對(duì)應(yīng)的這些獨(dú)立的搬運(yùn)任務(wù)，在DMA引擎的建模中，被稱為CTS（DMA Channel Transfer Structure），其結(jié)構(gòu)如圖x所示。

圖x DMA通道的傳輸任務(wù)描述符

這個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容并不是以指針的方式存放在SRAM中，而是直接做在寄存器結(jié)構(gòu)里，可以在DMA的寄存器清單中找到與之一一對(duì)映的寄存器。如圖x所示。

圖x CTS對(duì)應(yīng)的每個(gè)通道各自下轄的一組寄存器

但CTS也可以存放在RAM中，若配置了DMA_CTS_CSR[RLDEN]=1，則在大循環(huán)完成后，直接從寄存器DMA_CTS_DTO（原來存放的是地址偏移量）存放的指針進(jìn)行索引，搬運(yùn)整個(gè)CTS結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存覆寫到CTS對(duì)應(yīng)的寄存器中。

除此之外，只是借鑒CTS結(jié)構(gòu)中相關(guān)的寄存器，去配置DMA傳輸任務(wù)的參數(shù)即可，不必受限于CTS的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

DMA的觸發(fā)信號(hào)

YTM32的DMA控制器為每個(gè)DMA搬運(yùn)任務(wù)設(shè)計(jì)了兩種觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)。其中，軟件觸發(fā)可由CPU直接向DMA控制器的寄存器寫數(shù)（DMA_CTSn_CSR[START]），主動(dòng)啟動(dòng)傳輸過程；硬件觸發(fā)使用預(yù)設(shè)的硬件觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)來自外設(shè)的硬件觸發(fā)信號(hào)通過DMAMUX到來之時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)DMA搬運(yùn)任務(wù)開始搬數(shù)。DMA的每次觸發(fā)，執(zhí)行一次小循環(huán)的搬運(yùn)過程，一個(gè)大循環(huán)可以包含多個(gè)小循環(huán)的，因此一個(gè)大循環(huán)的搬運(yùn)任務(wù)可能會(huì)需要多次觸發(fā)才能完成。（關(guān)于大小循環(huán)的概念，可見樓下）

1. 軟件觸發(fā)

DMA的軟件觸發(fā)是通過軟件寫各通道的寄存器位DMA_CTSn_CSR[START]，或者寄存器DMA_START中對(duì)應(yīng)通道的控制位實(shí)現(xiàn)的，每寫1次就發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。每次觸發(fā)，執(zhí)行一次小循環(huán)（one trigger loop）的搬運(yùn)過程，TCNT寄存器中的計(jì)數(shù)器減1。

特別注意，軟件觸發(fā)是直接作用于DMA控制器的，不必配置DMAMUX的那個(gè)always_on的選項(xiàng)。但由此也可知，哪怕有可用的硬件觸發(fā)通過DMAMUX輸入到DMA控制器，軟件觸發(fā)也可以生效。相當(dāng)于是，軟件觸發(fā)和DMAMUX導(dǎo)入的硬件觸發(fā)信號(hào)相或，然后統(tǒng)一輸入到DMA控制器。

2. 硬件觸發(fā)

DMA的硬件觸發(fā)信號(hào)來自于DMAMUX，而DMAMUX則可以從眾多觸發(fā)信號(hào)的源中選擇其中一個(gè)適用于某個(gè)指定的通道（寄存器DMA_CHMUXn）。具體選項(xiàng)可在芯片手冊(cè)中查閱，如圖x所示。

圖x 從手冊(cè)中查閱DMAMUX選項(xiàng)

DMAMUX選中的觸發(fā)信號(hào)，還需要經(jīng)過一個(gè)REQEN的門控開關(guān)（寄存器DMA_REQEN中對(duì)應(yīng)通道的控制位），才能順利進(jìn)入DMA引擎。因此，每次使用DMA開始傳輸之前，如果要使用外部的硬件觸發(fā)源，必須確保打開這個(gè)門控開關(guān)。另外，每個(gè)DMA通道的傳輸描述符中的寄存器位DMA_CTS_CSR[DREQ]=1還可以控制在每個(gè)大循環(huán)傳輸完成之后，自動(dòng)關(guān)閉這個(gè)門控開關(guān)。如果DMA_CTS_CSR[DREQ]=0，則這個(gè)門控開關(guān)在大循環(huán)傳輸完畢后仍會(huì)保持打開。

這里提到的硬件觸發(fā)信號(hào)，是直接來自于外設(shè)的DMA觸發(fā)信號(hào)，通常會(huì)伴隨著這些外設(shè)的某些事件的發(fā)生，大多同時(shí)也可以觸發(fā)中斷。以LINFlexD為例，有對(duì)應(yīng)的DMA觸發(fā)信號(hào)的開關(guān)，如圖x所示。

圖x SPI外設(shè)模塊的使能DMA請(qǐng)求控制位

DMA的大循環(huán)和小循環(huán)

一個(gè)最完整的DMA傳輸，可以包含多次觸發(fā)，而每次觸發(fā)，會(huì)引起連續(xù)地搬運(yùn)一塊數(shù)據(jù)（可以是連續(xù)的多個(gè)字節(jié)）。以此，完整的DMA搬運(yùn)有大循環(huán)(Major Loop)和小循環(huán)(Minor Loop)的概念，大循環(huán)包含小循環(huán)。

YTM32的手冊(cè)中使用了Transfer Loop和Trigger Loop的名字：

• Transfer loop means data transferred after one DMA channel trigger.
• Trigger loop means DMA channel could accept how many DMA channel triggers(include software and hardware trigger).

從手冊(cè)的描述中可以獲知，Transfer Loop描述的是一次觸發(fā)（one trigger）執(zhí)行的包含若干個(gè)transfer的搬運(yùn)過程，而Trigger Loop可以包含多個(gè)觸發(fā)（many triggers），對(duì)應(yīng)大循環(huán)和小循環(huán)。如圖x所示。

圖x DMA搬數(shù)過程中的大循環(huán)和小循環(huán)

小循環(huán)搬運(yùn)的字節(jié)數(shù)，由各DMA通道的BCNT寄存器指定，它本身也是一個(gè)遞減計(jì)數(shù)器，每傳輸一個(gè)字節(jié)就減1，減到0時(shí)就停止搬運(yùn)。

大循環(huán)的包含的小循環(huán)的次數(shù)（不是字節(jié)數(shù)，是對(duì)觸發(fā)信號(hào)的計(jì)數(shù)），由各DMA通道的TCNT_KDDIS[TCNT]寄存器字段指定，它本身也是一個(gè)遞減計(jì)數(shù)器，每執(zhí)行一次小循環(huán)（觸發(fā)）就減1，減到0時(shí)就停止。特別注意，此處的大循環(huán)管理的僅僅是觸發(fā)，而不是傳輸內(nèi)存塊，如果使用多個(gè)傳輸任務(wù)描述符鏈接起來的傳輸任務(wù)描述鏈表，則每個(gè)任務(wù)描述符（可能在不同的地址塊和傳輸模式搬運(yùn)數(shù)據(jù)）都對(duì)應(yīng)屬于各自的觸發(fā)次數(shù)（同一個(gè)通道的觸發(fā)源仍為同一個(gè)）。

大循環(huán)執(zhí)行一半和完畢時(shí)都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位（DMA_CHTLHDIF和DMA_CHTLDIF），這里有個(gè)特別的設(shè)計(jì)，只有啟用DMA傳輸通道的大循環(huán)半完成和全完成的中斷時(shí)（DMA_CTS_CSR[THDINT]=1和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1），這兩個(gè)標(biāo)志位才會(huì)置位，否則哪怕對(duì)應(yīng)的事件到來，也不會(huì)被置位。但另一個(gè)傳輸完成標(biāo)志位（DMA_DONE和DMA_CTS_CSR[DONE]），無論是否開啟對(duì)應(yīng)的中斷（DMA_CTS_CSR[LOOPINT])，都能置位。這里就有一點(diǎn)小糾結(jié)了，如果同時(shí)啟動(dòng)了DMA_CTS_CSR[LOOPINT]和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF所對(duì)應(yīng)的行為將完全一樣，那么在一個(gè)大循環(huán)完成后產(chǎn)生中斷，其中的服務(wù)程序就需要同時(shí)清零這兩個(gè)標(biāo)志位。（這里的設(shè)計(jì)似乎有點(diǎn)冗余，有似乎缺了點(diǎn)什么。。。）

DMA搬運(yùn)任務(wù)的地址更新策略

DMA外設(shè)設(shè)計(jì)了非常靈活的搬運(yùn)地址更新策略，可以覆蓋最大范圍的應(yīng)用場(chǎng)景。但需要整理清楚其中的概念和更新時(shí)機(jī)，才能玩轉(zhuǎn)DMA，否則，一不小心產(chǎn)生了錯(cuò)誤的參數(shù)配置狀態(tài)，DMA也將會(huì)停止工作并報(bào)錯(cuò)（DMA_ERS）。

重申一次DMA搬數(shù)中的操作單元：

• 一次指定帶寬的總線傳輸被稱為一個(gè)搬運(yùn)Transfer
• 一次觸發(fā)可以發(fā)起一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的Transfer，也可被稱為Transfer Loop或者a loop of transfers，這也對(duì)應(yīng)文中描述的小循環(huán)Minor Loop。
• 一組觸發(fā)可以包含一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)的Minor Loop，也可被稱為Trigger Loop 或者a loop of triggers，這對(duì)應(yīng)文中描述的大循環(huán) Major Loop。

以數(shù)據(jù)源地址指針為例（數(shù)據(jù)目標(biāo)地址指針相同）：

• 最初的數(shù)據(jù)地址存放在寄存器DMA_CSR_SADDR中。這個(gè)寄存器中的值也會(huì)隨著DMA搬運(yùn)過程的執(zhí)行變化，始終指向即將要搬運(yùn)數(shù)據(jù)的地址。
• 預(yù)先配置DMA_CTS_TCNT寄存器的值大于等于1，表示本次DMA傳輸任務(wù)至少包含1次觸發(fā)產(chǎn)生的小循環(huán)。
• 一次觸發(fā)將啟動(dòng)搬數(shù)過程。先從小循環(huán)走起。
• 每次總線傳輸搬運(yùn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（寬度），由寄存器DMA_CSR_TCR[SSIZE]配置，可以選擇1 Byte、2 Byte、4 Byte，以及16 Byte和32 Byte，這也代表了DMA使用數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)帶寬。每次搬運(yùn)都是從當(dāng)前的數(shù)據(jù)地址開始搬運(yùn)帶寬指定數(shù)量的字節(jié)數(shù)。搬運(yùn)過后，不對(duì)當(dāng)前搬運(yùn)數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生影響，指針保持不變。
• 每次搬運(yùn)執(zhí)行后，可以由軟件指定一個(gè)地址偏移量，由寄存器DMA_CSR_SOFF配置，可以是正整數(shù)，也可以是負(fù)整數(shù)（地址向前跳）。這個(gè)偏移量是作用于當(dāng)前搬運(yùn)數(shù)據(jù)地址指針寄存器DMA_CSR_SADDR的，當(dāng)搬運(yùn)執(zhí)行后，當(dāng)前地址指針將會(huì)加上這個(gè)偏移量，更新成新的地址指針。
• 如果有多次傳輸，則多次傳輸會(huì)連續(xù)執(zhí)行。DMA_CTS_BCNT寄存器預(yù)置了本次小循環(huán)的需要數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位），而不是地址范圍（切記，地址有可能是不連續(xù)地跳躍）。DMA控制器內(nèi)部會(huì)自動(dòng)遞減DMA_CTS_BCNT寄存器的數(shù)，但不會(huì)覆寫到DMA_CTS_BCNT寄存器中，因?yàn)檎麄€(gè)小循環(huán)的搬運(yùn)過程是連續(xù)執(zhí)行的，用戶看不到中間狀態(tài)。
• 當(dāng)小循環(huán)完成后，可以有一個(gè)對(duì)源數(shù)據(jù)地址指針的偏移。然而，這里并沒有設(shè)計(jì)。
• DMA_CTS_TCNT寄存器的值減1，并覆寫到DMA_CTS_TCNT寄存器中。如果值仍大于0，則說明當(dāng)前的大循環(huán)任務(wù)還沒執(zhí)行完，繼續(xù)等下一個(gè)觸發(fā)啟動(dòng)一次小循環(huán)。如果值被減到0，說明大循環(huán)任務(wù)完成，此時(shí)，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF（若開放中斷）都會(huì)置位，同時(shí)，DMA控制器還會(huì)更新兩個(gè)計(jì)數(shù)值：
• 源數(shù)據(jù)指針在加上了最后一次搬運(yùn)的偏移量（由寄存器DMA_CSR_SOFF配置）之后，還會(huì)立即繼續(xù)疊加一個(gè)大循環(huán)完成地址偏移，由寄存器DMA_CSR_STO配置，這也是一個(gè)可正可負(fù)的整數(shù)。計(jì)算的結(jié)果會(huì)覆寫到寄存器DMA_CSR_SADDR中。
• 將DMA_CTS_TCNTRV寄存器中預(yù)存的重載值覆寫到DMA_CTS_TCNT寄存器中，以便于啟動(dòng)下次任務(wù)時(shí)無需重新配置這些計(jì)數(shù)器和地址指針。

說起來，個(gè)人覺得，如果設(shè)計(jì)小循環(huán)結(jié)束后有一個(gè)地址偏移，比實(shí)現(xiàn)大循環(huán)結(jié)束后的地址偏移更加直觀一些。大循環(huán)專門管理觸發(fā)（管理觸發(fā)的遞減和循環(huán)），小循環(huán)管理指針（地址的遞減和遞增等），分工相對(duì)更明確些。這里實(shí)現(xiàn)的大循環(huán)的一次性偏移，也可以等價(jià)實(shí)現(xiàn)為等分到每次小循環(huán)之后的地址偏移。

讀者可以自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察DMA寄存器中各計(jì)數(shù)器的變化。

圖x 利用Keil的寄存器調(diào)試界面調(diào)試

DMA控制器還支持Scatter Gather模式，將多個(gè)DMA傳輸任務(wù)串聯(lián)在一起，可以實(shí)現(xiàn)地址不規(guī)則的連續(xù)傳輸。在地址增長(zhǎng)模式上，還有個(gè)回環(huán)遞增的模式可以用?？梢栽诰唧w用到的時(shí)候再深究。手冊(cè)上的描述比較簡(jiǎn)略，屆時(shí)仍需要用戶發(fā)揮主觀能動(dòng)性，大膽猜想多做嘗試。

應(yīng)用要點(diǎn)（軟件）

• YTMicro SDK提供了dma外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序，以及配合其他外設(shè)使用的樣例工程，例如adc_dma、spi_slave_dma、spi_master_dma、sent_dma等。
• 在開源的arm-mcu-sdk倉庫中，也收納了ytm_dma驅(qū)動(dòng)程序，以及對(duì)應(yīng)的樣例工程dma_basic。