Crossbar的多通道DMA控制器設(shè)計(jì)

　　1 簡(jiǎn)介

　　在DMA控制器加入仲裁模塊，對(duì)多個(gè)傳輸請(qǐng)求進(jìn)行排序，通過(guò)存儲(chǔ)器配置模式減少CPU 的配置時(shí)間和中斷次數(shù)，但還不能保證對(duì)多任務(wù)傳輸?shù)膶拵枨螅灰灿邪褌鬏斎蝿?wù)分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的，按實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸，但是仍需系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，占用系統(tǒng)處理時(shí)間；分別通過(guò)預(yù)存取和寫循環(huán)、加入重排列單元、鏈模式和雙緩沖器以及采用不同大小的緩存等方法提高 DMA 控制器的傳輸效率。但這些改進(jìn)方法均只能保證 DMA 控制器在同一時(shí)間傳輸單一任務(wù)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多任務(wù)實(shí)時(shí)傳輸，本文擬引入Crossbar 交換結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的多通道傳輸 DMA控制器，保證系統(tǒng)多任務(wù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)提高系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性

　　為了具體介紹本多通道 DMA 控制器的設(shè)計(jì)方案，下面首先對(duì)基于 Crossbar 的多通道 DMA 控制器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，接著具體說(shuō)明各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行總結(jié)。

　　2 多通道DMA控制器

　　傳統(tǒng) DMA 控制器是采用共享總線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)模到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程為：（1）首先設(shè)備向 DMAC 發(fā)出 DMA 請(qǐng)求。（2）DMAC 接到設(shè)備請(qǐng)求后，向 CPU 發(fā)出總線請(qǐng)求，請(qǐng)求接管系統(tǒng)總線。（3）CPU 在執(zhí)行完當(dāng)前指令周期后，向 DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)。（4）CPU 脫離對(duì)系統(tǒng)總線的控制，DMAC 接管控制系統(tǒng)總線。（5）DMAC 向設(shè)備發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。（6）DMAC 在存儲(chǔ)器與設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（7）當(dāng)設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸完后，DMAC 撤銷總線請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)脫離對(duì)總線的控制，CPU 檢測(cè)到總線請(qǐng)求信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效后，撤銷總線響應(yīng)信號(hào)，恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)總線的控制，同時(shí)跳回到中斷前的狀態(tài)。

　　但對(duì)于如圖 1 所示的典型多媒體應(yīng)用系統(tǒng)，內(nèi)部有哈夫曼解碼模塊（Huffman Decoder）、圖像解碼模塊 （MPEG Decoder）、USB 模塊、SPI 模塊、SD 卡控制模（SDC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）等，哈夫曼解碼模塊和圖像解碼模塊需要跟 USB 模塊、SD卡控制模塊或 SPI 模塊通信，即同時(shí)存在幾路數(shù)據(jù)傳輸并且傳輸數(shù)據(jù)的模塊是變化的，采用共享總線的 DMA 控制器無(wú)法同時(shí)處理多個(gè)通道任務(wù)，現(xiàn)有的多通道 DMA 控制器交換數(shù)據(jù)的設(shè)備只能是固定的，因而無(wú)法勝任這種系統(tǒng)需求。對(duì)于這類應(yīng)用需要，本文引入了 Crossbar 互聯(lián)結(jié)構(gòu)，用 Crossbar 總線來(lái)代替共享總線。Crossbar 被稱為交叉開(kāi)關(guān)矩陣或縱橫式交換矩陣，不會(huì)因?yàn)閹捹Y源不夠而產(chǎn)生阻塞 ［8］。圖 2 所示是全 Crossbar 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理圖。由于全 Crossbar 總線所需連接線數(shù)量較多， 在實(shí)際中經(jīng)常簡(jiǎn)化為部分 Crossbar 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 即將不需要通信的模塊間的連接去掉，以節(jié)省面積。

　　Crossbar 的互聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在 MDMAC 的接口模塊中，作為 DMA 傳輸?shù)木植靠偩€，DMA 傳輸不再占用系統(tǒng)總線，因此可以和 CPU 并行工作。所有需要采用 DMA 式傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備都直接掛接在該接口模塊上，而由于這些設(shè)備也需要同系統(tǒng)總線通信，所以每個(gè)設(shè)備需要附加一個(gè)多路選擇單元，以選擇來(lái)自系統(tǒng)總線的信號(hào)或是來(lái)自 MDMAC 的信號(hào)。MDMAC 的接口模塊實(shí)現(xiàn)了全 Crossbar 的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其和設(shè)備的連接及系統(tǒng)總線的連接方式如圖 3所示，處于圖中左邊的任意設(shè)備可以和圖中右邊的任意設(shè)備進(jìn)行 DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。由于可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)接口模塊中設(shè)備端口的個(gè)數(shù)，所以可以保證系統(tǒng)中所有的 DMA 傳輸都能并行進(jìn)行，而不需要像傳統(tǒng) DMA 控制器，要通過(guò)一定的仲裁算法來(lái)對(duì)多個(gè)傳輸請(qǐng)求進(jìn)行排序，使得傳輸時(shí)間不能保證，并且仲裁模塊會(huì)引入較大的延時(shí)，使得傳輸響應(yīng)變慢。

　　3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

　　根據(jù)上述多通道 DMA 控制器的基本原理，可以按如圖 4 結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該多通道 DMA 控制器，其組成模塊可以分為 4 部分：寄存器模塊Registers， 控 制 模 塊 Controlunit， 地 址 產(chǎn) 生 模 塊Addressgen 和接口模塊 Interface。下面詳細(xì)介紹各模塊的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

　　3.1 寄存器模塊

　　Registers 寄存器模塊集合了控制器的各種寄存器，包括全局寄存器和各個(gè)通道的專用寄存器，控制器和系統(tǒng)微處理器的交互主要靠這些寄存器來(lái)完成。全局寄存器對(duì)所有的通道都有效，包括配置寄取，不需要 CPU 的參與，直到整個(gè)描述符鏈表執(zhí)行完再產(chǎn)生中斷通知 CPU，而傳統(tǒng)的 CPU 配置模式每執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)都要產(chǎn)生中斷，讓 CPU 對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行配置。每次傳輸?shù)陌l(fā)起可以有兩種模式，一種是軟件使能方式，即只要將寄存器的 start 位置 1 就開(kāi)始脫離 Idle 狀態(tài)；另一種是硬件握手方式，寄存器的 start 位置 1 后，還需要有傳輸請(qǐng)求的模塊發(fā)來(lái)申請(qǐng)并等待 MDMAC 確認(rèn)后傳輸才開(kāi)始。軟件使能方式適用于數(shù)據(jù)復(fù)制操作，CPU 將某一地址區(qū)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到另一地址區(qū)間。硬件握手方式是傳統(tǒng)的DMA 工作方式。