基于浮點(diǎn)系列芯片ADSP2106x中的直接內(nèi)存存取技術(shù)研究

１、 DMA概述

直接內(nèi)存存取（DMA）對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是非常重要的。它可以使CPU在運(yùn)行指令的同時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)從外部存儲(chǔ)器或設(shè)備中存取數(shù)據(jù)，也可以在CPU不參與的情況下，由專用的DMA設(shè)備存取數(shù)據(jù)。

對(duì)于浮點(diǎn)DSP芯片來(lái)講，DMA的作用更是重要。眾所周知，DSP芯片主要是面向?qū)崟r(shí)的信號(hào)處理，其核心的運(yùn)算部件具有很高的運(yùn)算速度，常以MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算）來(lái)衡量。ADSP2106x為120MFLOPS，但該速度是以存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器中的程序和數(shù)據(jù)為前提的。在DSP內(nèi)部往往采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和程序總線相互獨(dú)立，即指令的存取和數(shù)據(jù)的存取并行不悖；另外在ADSP2106x內(nèi)部還有各種接口總線，用以提高數(shù)據(jù)的流通能力。但在芯片的外部，所有的總線都合并在一起了。因此為了發(fā)揮DSP核心運(yùn)算單元的高速運(yùn)算能力，首先必須把程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫酒膬?nèi)存中，這通常需要DMA操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

另一方面，DSP系統(tǒng)總要與各種外部信號(hào)打交道，它從外部輸入數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)各種算法的處理后，再輸出給其他設(shè)備。不僅如此，對(duì)于浮點(diǎn)DSP系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的輸入和輸出常常是連續(xù)不斷的。試想，如果用DSP的核心部件來(lái)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出，它高速的運(yùn)算能力又如何發(fā)揮得出來(lái)呢？所以，浮點(diǎn)系列的DSP芯片大都把DMA控制部分直接集成到了芯片上，用DMA來(lái)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

高效的DSP系統(tǒng)通常采用圖１所示的結(jié)構(gòu)。在內(nèi)存中開(kāi)辟出四塊緩存區(qū)，兩個(gè)作為輸入緩存，兩個(gè)作為輸出緩存，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的乒乓切換。核心處理單元直接從輸入緩存中取數(shù)運(yùn)算，然后把運(yùn)算結(jié)果寫入輸出緩存；而數(shù)據(jù)從外部接口的輸入和輸出則完全由DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需核心處理單元的參與。只要核心處理單元的運(yùn)算速度和DMA的數(shù)據(jù)率滿足要求，圖１所示的結(jié)構(gòu)就可以完成連續(xù)的數(shù)據(jù)流輸入和輸出。當(dāng)然，從外部看，數(shù)據(jù)的輸入和輸出是連續(xù)的，但在芯片內(nèi)部卻是分段處理的。分段處理雖然帶來(lái)一些誤差，但只要緩存的數(shù)據(jù)足夠長(zhǎng)，就可以使誤差降到允許的范圍。因?yàn)殚g隔越長(zhǎng)，前后數(shù)據(jù)間的相關(guān)性越小，相互間的影響就越小，故分段處理是可行的。由于分段處理，也給DSP芯片的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一個(gè)重要影響，那就是盡可能地增加其內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量。對(duì)于ＡDSP21060，其內(nèi)部的SRAM容量達(dá)4Mbit，可以滿足大多數(shù)分段處理的需要。

下面首先對(duì)ADSP2106x中的DMA做概要介紹，然后對(duì)幾種典型的DMA操作進(jìn)行詳細(xì)分析。

２、ADSP2106x中的DMA

ADSP2106x中的片內(nèi)DMA控制器可以同時(shí)控制10個(gè)通道的DMA，完成下列類型的數(shù)據(jù)傳輸操作：

·內(nèi)存外存或外部存儲(chǔ)器映射設(shè)備

·內(nèi)存其他ADSP2106x的內(nèi)存

·內(nèi)存主機(jī)接口

·內(nèi)存串行口

·內(nèi)存Link口

·內(nèi)存外部設(shè)備

·外存外部設(shè)備

豐富的數(shù)據(jù)流向可以使ADSP2106x實(shí)現(xiàn)對(duì)各種外設(shè)的接口；另外，由于ADSP2106x的內(nèi)存是雙口SRAM，因此在進(jìn)行上述DMA操作的同時(shí)，核心處理單元仍可以讀寫內(nèi)存，使DMA操作與內(nèi)部運(yùn)算處理達(dá)到高度的并行性。當(dāng)然，應(yīng)盡量避免二者同時(shí)對(duì)同一內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫。

每個(gè)DMA通道都有一個(gè)（或兩個(gè)）用FIFO實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)緩存器，最大的緩沖深度為６級(jí)，用以提高DMA數(shù)據(jù)傳輸率。所有的DMA數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)這10個(gè)數(shù)據(jù)緩存器來(lái)完成的，這些緩存器如表１所示。其中通道1、3、6、7都是兩個(gè)緩存器共用一個(gè)DMA通道。所有數(shù)據(jù)緩存器作為I/O寄存器被映射到內(nèi)存的前256個(gè)地址中。

DMA的編程是通過(guò)內(nèi)部核心處理單元或外部主機(jī)對(duì)片內(nèi)有關(guān)的I/O寄存器設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些I/O口寄存器也被映射到內(nèi)存的前256個(gè)地址上。與DMA操作有關(guān)的I/O寄存器除了前面的數(shù)據(jù)緩存器外，主要還包括：

·DMA控制寄存器：DMAC6～9，LCTL，STCTL0～1，SRCTL0～1。

·地址－計(jì)數(shù)寄存器：II0～9，IM0～9，C0～9，EI6～9，EM6～9，EC6～9。

·鏈?zhǔn)讲僮髦羔樇拇嫫鳎篊P0～9。

·二維操作寄存器（也可作DMA通用寄存器）：GP0～9，DA0～5，DB0～5。

·DMA狀態(tài)寄存器：DMASTAT。

DMA設(shè)置傳輸過(guò)程一般如下：

（１）設(shè)置對(duì)應(yīng)通道的地址－計(jì)數(shù)寄存器。

（２）設(shè)置對(duì)應(yīng)通道的DMA控制寄存器，并將其中的DMA使能位設(shè)為有效。

（３）開(kāi)始DMA數(shù)據(jù)傳輸。

（４）DMA傳輸結(jié)束后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷，程序?qū)χ袛噙M(jìn)行處理。

３ 幾種常用的DMA操作

在基于ADSP2106x的DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最常用到以下幾種DMA操作：內(nèi)存與外存、內(nèi)存與主機(jī)、內(nèi)存與外設(shè)、內(nèi)存與Link口間的數(shù)據(jù)交換。

3.1 內(nèi)存與外存間的DMA

內(nèi)存與外存間的DMA傳輸可用DMA通道6～9這四個(gè)通道中的任一個(gè)。這里用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，假如要把內(nèi)存地址0x26000～0x263ff中的1024個(gè)數(shù)用DMA通道6傳送到外存0x400000～4003ff中，可用下面的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)：

／*設(shè)置內(nèi)存地址－計(jì)數(shù)寄存器*／

R0=0x26000;

DM（II6）=R0; ／*設(shè)置內(nèi)存起始地址*／

R0=1

DM（IM6）=R0; ／*設(shè)置內(nèi)存地址增加值*／

R0=1024;

DM（C6）=R0 ／*設(shè)置內(nèi)存讀數(shù)次數(shù)*／

／*設(shè)置外存地址－計(jì)數(shù)寄存器*／

R0=0x400000;

DM（E16）=R0; ／*設(shè)置外存起始地址*／

R0=1；

DM（EM6）=R0; ／*設(shè)置外存地址增加值*／

R0=1024；

DM（EC6）=R0； ／*設(shè)置外存寫數(shù)次數(shù)*／

R0=0x0205;

DM（DMAC6）=R0;；／*設(shè)置DMA控制寄存器

DMAC6*／

／*設(shè)置為Master和從內(nèi)存讀數(shù)方

式，并使能DMA*／

／*DMA通道６開(kāi)啟DMA傳數(shù)操作*／

這里需要說(shuō)明兩點(diǎn)：（１）I/O寄存器不能用立即數(shù)來(lái)直接賦值，而要通過(guò)通用寄存器R0～15或USTAT0～1來(lái)賦值；（２）在ADSP2106x中，由于數(shù)據(jù)的寬度有8、16、32和48幾種方式，通過(guò)DMA傳輸時(shí)，內(nèi)存和外部接口上的寬度可以不同，因此對(duì)應(yīng)的讀寫次數(shù)可能不同，故內(nèi)部計(jì)數(shù)器和外部計(jì)數(shù)器要分別設(shè)置。

對(duì)于外部存儲(chǔ)器映射設(shè)備，其接口地址是固定的，此時(shí)內(nèi)存與該外設(shè)間DMA的編程更加簡(jiǎn)單。比如某外設(shè)的地址設(shè)在0x400000，要把內(nèi)存0x26000～0x263ff中的1024個(gè)數(shù)用DMA通道６傳送到該外設(shè)接口上，只需把上面程序中的EM6設(shè)為０即可。

3.2 內(nèi)存與主機(jī)間的DMA

在ADSP2106x芯片上包含了一個(gè)主機(jī)（host）接口，可以使其方便地與通用16位或32位計(jì)算機(jī)相連接，此時(shí)，通用計(jì)算機(jī)就作為ADSP2106x的主機(jī)，它可對(duì)ADSP2106x的片內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)。通常情況下，為了減少主機(jī)對(duì)ADSP2106x尋址的地址線根數(shù)，以降低硬件復(fù)雜性，主機(jī)往往只對(duì)ADSP2106x的I/O寄存器（有256個(gè)）尋址，尋址的地址線只需8根１。BittWare公司的ADSP2106xEZ－LAB開(kāi)發(fā)板即采用了此種方式。在這種情況下，主機(jī)與ADSP2106x內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換大多是通過(guò)DMA完成的。下面通過(guò)運(yùn)行在微機(jī)上的一段Ｃ語(yǔ)言程序來(lái)說(shuō)明，此時(shí)EZ－LAB板插入微機(jī)的ISA總線插槽上，微機(jī)作為ADSP2106x的主機(jī)，ADSP2106x的I/O寄存器可由微機(jī)通過(guò)ISA總線上的I/O口來(lái)訪問(wèn)。該程序把數(shù)據(jù)d［1024］通過(guò)DMA通道６加載到ADSP2106x內(nèi)存0x26000～0x263ff中。具體程序如下：

#injclude“conio.h”

#include “def21060.h” /*ADSP I/O寄存器地址定義文件*／

#include ：stdio.h“

#define ADDR 0X402 ／*定義ＡDSP地址線對(duì)應(yīng)

的ISA總線I/O口地址*／

#define DATA 0x404 ／*定義ＡDSP數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)

的ISA總線I/O口地址*／

main（）

 {int n，d［1024］;

／*設(shè)置ADSP中DMA通道6的地址－計(jì)數(shù)寄存器及控制寄存器*／

outpw（ADDR，II6）; ／*尋址起始地址寄存器II6*／

outpw（DATA，0x6000）；／*設(shè)置II6的低16位*／

outpw（DATA，0x2）； ／*設(shè)置II6的高16位*／

outpw（ADDR，IM6）; ／*尋址地址增加寄存器IM6*／

outpw（DATA，1）; ／*設(shè)置IM6的低16位*／

outpw（DATA，0）; ／*設(shè)置IM6的高16位*／

outpw（ADDR，C6）; ／*尋址計(jì)數(shù)寄存器C6*／

outpw（DATA，1024）; ／*設(shè)置C6的低16位*／

outpw（DATA，0）; ／*設(shè)置C6的高16位*／

outpw（ADDR，DMAC6）; ／*尋址DMA控制寄存器

DMAC6 *／

outpw（DATA，0x41）;／*設(shè)置DMAC6的低16位*／

outpw（DATA，0）; ／*設(shè)置DMAC6的高16位*／

／*ADSP的DMA通道6設(shè)為16／32位模式，

并開(kāi)啟就緒，等待微機(jī)傳數(shù)*／

／*微機(jī)向DMA通道6的數(shù)據(jù)緩存器EPB0中連續(xù)寫入數(shù)據(jù)ｄ［．］*／

outpw（ADDR，EPB0）; ／*尋址DAM通道6的數(shù)

據(jù)緩存器EPB0*/

for（n=0;n＜1024;n++）

 {outpw（DATA，d［n］）； ／*寫數(shù)據(jù)d［n］*／

outpw（DATA，0）; ／*高16位寫0*／

}

}

對(duì)以上程序需要說(shuō)明的有兩點(diǎn)：（１）ADSP2106x的地址線和數(shù)據(jù)線是通過(guò)ISA總線上兩個(gè)I/O口地址（ADDR和DATA）來(lái)訪問(wèn)的；（２）ISA總線為16位，而ADSP2106x的I/O寄存器和內(nèi)存的數(shù)據(jù)都為32位，因此微機(jī)要用高、低16位分別傳輸，同時(shí)把DMA6設(shè)置為16／32位模式。

3.3 內(nèi)存與外設(shè)間的DMA

對(duì)于某些外部設(shè)備，其輸入或輸出是與某個(gè)外部時(shí)鐘同步的，而與ADSP2106x的讀寫時(shí)鐘不相干。當(dāng)這樣的設(shè)備與ADSP2106x接口時(shí)，通常的做法是在接口端加FIFO或雙口RAM，把ADSP2106x的讀寫與該外設(shè)的輸入或輸出時(shí)鐘隔離開(kāi)來(lái)。但ADSP2106x芯片本身提供了更靈活、更高效的方式，即DMA通道７和８的握手DMA方式（Handshake），可以完全省去FIFO或RAM，其典型應(yīng)用電路如圖２所示。

圖中以８位數(shù)據(jù)線寬度為例，以DMA通道７為輸出，對(duì)應(yīng)的握手信號(hào)為DMAR1和DMAG1；以DMA通道８為輸入，對(duì)應(yīng)的握手信號(hào)為DMAR2和DMAG2。整個(gè)電路只用到了最常用的74273和74374芯片，外設(shè)的讀寫時(shí)鐘最高可達(dá)40MHz。在這種握手DMA方式中，外設(shè)不占用ADSP2106x的外部地址總線。關(guān)于上面電路的詳細(xì)情況，在此不再贅述。

下面給出設(shè)置握手DMA的對(duì)應(yīng)程序。這里假設(shè)要從外設(shè)2中輸入1024個(gè)數(shù)據(jù)到內(nèi)存0x26000～0x264ff中，則需對(duì)DMA通道８進(jìn)行如下編程：

／*設(shè)置內(nèi)存地址－計(jì)數(shù)寄存器*／

R0=0x26000;

DM（II8）=R0; /*設(shè)置內(nèi)存起始地址*／

R0=1；

DM（IM8）=R0； ／*設(shè)置內(nèi)存地址增加值*／

R0=1024；

DM（C8）=R0； ／*設(shè)置內(nèi)存寫數(shù)次數(shù)*／

／*設(shè)置外存計(jì)數(shù)寄存器*／

R0=1；

DM（EM8）=R0； ／*設(shè)置外存地址增加值*／

R0=1024；

DM（EC8）=R0； ／*設(shè)置外存輸入次數(shù)*／

R0=0x401；

DM（DMAC8）=R0； ／*設(shè)置DMA控制寄存器

DMAC8*／

／*設(shè)置為Handshake和向內(nèi)存寫數(shù)方式，并使能DMA*／

／*DMA通道８開(kāi)啟，等待外設(shè)的輸入時(shí)鐘，每接 收到一個(gè)時(shí)鐘，輸入一次*／

對(duì)上面程序需要說(shuō)明的是：雖然電路中沒(méi)有用到外存地址，但外存計(jì)數(shù)寄存器EM7和EC7也必須設(shè)置。

如果要向外設(shè)１中輸入數(shù)據(jù)，則需要對(duì)DMA7進(jìn)行類似的編程。

3.4 內(nèi)存與Link口間的DMA

ADSP2106x具有很強(qiáng)的并行工作能力，不需加任何外部仲裁電路，６片ADSP2106x和一個(gè)主機(jī)就可以很方便連在一起并行工作。它們之間的數(shù)據(jù)交換既可以通過(guò)共享的外部數(shù)據(jù)、地址總線來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Link口來(lái)完成。６個(gè)Link口是ADSP2106x芯片所獨(dú)有的高速數(shù)據(jù)接口；每個(gè)Link口包含４根數(shù)據(jù)線、一個(gè)時(shí)鐘線和一個(gè)應(yīng)答信號(hào)線，最高的數(shù)據(jù)傳輸率為40Mbyte/s。

用Link口進(jìn)行片間數(shù)據(jù)交換，通常情況下都要采用DMA方式，這樣才能將其優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮。在使用DMA方式進(jìn)行Link口通訊時(shí)，除了要進(jìn)行地址－計(jì)數(shù)寄存器的設(shè)置外，還要進(jìn)行傳輸速率選擇寄存器（LCOM）和緩存－口配對(duì)寄存器（LAR）的設(shè)置；最后設(shè)置DMA控制寄存器LCTL，并開(kāi)啟DMA操作。

假設(shè)有兩片ADSP2106x，它們相互間用Link5口相連；我們要把第一片內(nèi)存0x26000～0x263ff中的1024個(gè)數(shù)用Link5口傳輸?shù)降诙膬?nèi)存0x23000～0x23fff處，則兩片ADSP2106x的DMA編程設(shè)置如下：

／*第一片*／

r0=0X3f000;

dm（LCOM）=r0； ／*把Link口設(shè)為2x clock*／

r0=0xfff7f；

dm（LAR）=r0； ／*link port5－－＞ link buffer2，

對(duì)應(yīng)DMA通道４*／

r0=0X26000；

dm（II4）=r0； ／*設(shè)置起始地址*／

r0=1024；

dm（C4）=r0； ／*設(shè)置讀數(shù)次數(shù)*／

r0=1；

dm（IM4）=r0； ／*設(shè)置地址增加值*／

r0=0Xb00;

dm（LCTL）=r0; /*enable output DMA*/

／*第二片*／

r0=0X3f000；

dm（LCOM）=r0； ／*把Link口設(shè)為2x clock*／

r0=0xfff7f；

dm（LAR）=r0; /*link port5－－＞link buffer 2，對(duì)

應(yīng)DMA通道４*／

r0=0x23000；

dm（II4）=r0； ／*設(shè)置起始地址*／

r0=1024；

dm（C4）=r0； ／*設(shè)置讀數(shù)次數(shù)*／

r0=1；

dm（IM4）=r0； ／*設(shè)置地址增加值*／

r0=0x300；

dm（LCTL）=r0； ／*enable input DMA*／

對(duì)于上面的兩段程序，應(yīng)分別加載到兩片ADSP2106x中。需要說(shuō)明的是：Link Buffer 2對(duì)應(yīng)DMA通道４。如果把其他的Link Buffer與Link口５配對(duì)，則需設(shè)置與該Buffer對(duì)應(yīng)的DMA通道。

ADSP2106x中DMA操作功能強(qiáng)大，形式多樣，除了本文所介紹的部分外，還有鏈?zhǔn)紻MA、二維DMA等，因此要全部掌握并熟練應(yīng)用是有一定難度的。通過(guò)對(duì)各種DMA的應(yīng)用，可以使數(shù)據(jù)進(jìn)出芯片變得更加流暢，也可以使其核心處理單元的運(yùn)算能力發(fā)揮到極致.

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