ADSP2106x中DMA的應用

摘 要： 直接內存存取（DMA）是DSP芯片中用于快速數(shù)據(jù)交換的重要技術，對AD公司的浮點系列芯片ADSP2106x中的DMA的應用進行了詳細介紹，并給出實際應用中的一些例子。

關鍵詞： DMA 浮點系列芯片ADSP2106x

１ DMA概述

直接內存存取（DMA）對計算機系統(tǒng)是非常重要的。它可以使CPU在運行指令的同時，系統(tǒng)能實現(xiàn)從外部存儲器或設備中存取數(shù)據(jù)，也可以在CPU不參與的情況下，由專用的DMA設備存取數(shù)據(jù)。

對于浮點DSP芯片來講，DMA的作用更是重要。眾所周知，DSP芯片主要是面向實時的信號處理，其核心的運算部件具有很高的運算速度，常以MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）來衡量。ADSP2106x為120MFLOPS，但該速度是以存儲在芯片內部存儲器中的程序和數(shù)據(jù)為前提的。在DSP內部往往采用多總線的哈佛結構，數(shù)據(jù)總線和程序總線相互獨立，即指令的存取和數(shù)據(jù)的存取并行不悖；另外在ADSP2106x內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核心運算單元的高速運算能力，首先必須把程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫酒膬却嬷?，這通常需要DMA操作來實現(xiàn)。

另一方面，DSP系統(tǒng)總要與各種外部信號打交道，它從外部輸入數(shù)字信號，經(jīng)過各種算法的處理后，再輸出給其他設備。不僅如此，對于浮點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的核心部件來完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出，它高速的運算能力又如何發(fā)揮得出來呢？所以，浮點系列的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所示的結構。在內存中開辟出四塊緩存區(qū)，兩個作為輸入緩存，兩個作為輸出緩存，用來實現(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)運算，然后把運算結果寫入輸出緩存；而數(shù)據(jù)從外部接口的輸入和輸出則完全由DMA來實現(xiàn)，不需核心處理單元的參與。只要核心處理單元的運算速度和DMA的數(shù)據(jù)率滿足要求，圖１所示的結構就可以完成連續(xù)的數(shù)據(jù)流輸入和輸出。當然，從外部看，數(shù)據(jù)的輸入和輸出是連續(xù)的，但在芯片內部卻是分段處理的。分段處理雖然帶來一些誤差，但只要緩存的數(shù)據(jù)足夠長，就可以使誤差降到允許的范圍。因為間隔越長，前后數(shù)據(jù)間的相關性越小，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芯片的結構帶來了一個重要影響，那就是盡可能地增加其內部存儲器的容量。對于ＡDSP21060，其內部的SRAM容量達4Mbit，可以滿足大多數(shù)分段處理的需要。

下面首先對ADSP2106x中的DMA做概要介紹，然后對幾種典型的DMA操作進行詳細分析。

２ ADSP2106x中的DMA

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

·內存外存或外部存儲器映射設備

·內存其他ADSP2106x的內存

·內存主機接口

·內存串行口

·內存Link口

·內存外部設備

·外存外部設備

豐富的數(shù)據(jù)流向可以使ADSP2106x實現(xiàn)對各種外設的接口；另外，由于ADSP2106x的內存是雙口SRAM，因此在進行上述DMA操作的同時，核心處理單元仍可以讀寫內存，使DMA操作與內部運算處理達到高度的并行性。當然，應盡量避免二者同時對同一內存地址進行讀寫。

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

DMA的編程是通過內部核心處理單元或外部主機對片內有關的I/O寄存器設置來實現(xiàn)的，這些I/O口寄存器也被映射到內存的前256個地址上。與DMA操作有關的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－計數(shù)寄存器：II0～9，IM0～9，C0～9，EI6～9，EM6～9，EC6～9。

·鏈式操作指針寄存器：CP0～9。

·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設置傳輸過程一般如下：

（１）設置對應通道的地址－計數(shù)寄存器。

（２）設置對應通道的DMA控制寄存器，并將其中的DMA使能位設為有效。

（３）開始DMA數(shù)據(jù)傳輸。

（４）DMA傳輸結束后，產(chǎn)生對應的中斷，程序對中斷進行處理。

３ 幾種常用的DMA操作

在基于ADSP2106x的DSP系統(tǒng)的開發(fā)過程中，最常用到以下幾種DMA操作：內存與外存、內存與主機、內存與外設、內存與Link口間的數(shù)據(jù)交換。

3.1 內存與外存間的DMA

內存與外存間的DMA傳輸可用DMA通道6～9這四個通道中的任一個。這里用一個例子來說明，假如要把內存地址0x26000～0x263ff中的1024個數(shù)用DMA通道6傳送到外存0x400000～4003ff中，可用下面的編程來實現(xiàn)：

／*設置內存地址－計數(shù)寄存器*／

R0=0x26000;

DM(II6)=R0; ／*設置內存起始地址*／

R0=1

DM(IM6)=R0; ／*設置內存地址增加值*／

R0=1024;

DM(C6)=R0 ／*設置內存讀數(shù)次數(shù)*／

／*設置外存地址－計數(shù)寄存器*／

R0=0x400000;

DM(E16)=R0; ／*設置外存起始地址*／

R0=1；

DM(EM6)=R0; ／*設置外存地址增加值*／

R0=1024；

DM(EC6)=R0； ／*設置外存寫數(shù)次數(shù)*／

R0=0x0205;

DM(DMAC6)=R0;；／*設置DMA控制寄存器

DMAC6*／

／*設置為Master和從內存讀數(shù)方

式，并使能DMA*／

／*DMA通道６開啟DMA傳數(shù)操作*／

這里需要說明兩點：（１）I/O寄存器不能用立即數(shù)來直接賦值，而要通過通用寄存器R0～15或USTAT0～1來賦值；（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DMA傳輸時，內存和外部接口上的寬度可以不同，因此對應的讀寫次數(shù)可能不同，故內部計數(shù)器和外部計數(shù)器要分別設置。

對于外部存儲器映射設備，其接口地址是固定的，此時內存與該外設間DMA的編程更加簡單。比如某外設的地址設在0x400000，要把內存0x26000～0x263ff中的1024個數(shù)用DMA通道６傳送到該外設接口上，只需把上面程序中的EM6設為０即可。

3.2 內存與主機間的DMA

在ADSP2106x芯片上包含了一個主機（host）接口，可以使其方便地與通用16位或32位計算機相連接，此時，通用計算機就作為ADSP2106x的主機，它可對ADSP2106x的片內存儲器進行訪問。通常情況下，為了減少主機對ADSP2106x尋址的地址線根數(shù)，以降低硬件復雜性，主機往往只對ADSP2106x的I/O寄存器（有256個）尋址，尋址的地址線只需8根１。BittWare公司的ADSP2106xEZ－LAB開發(fā)板即采用了此種方式。在這種情況下，主機與ADSP2106x內存間的數(shù)據(jù)交換大多是通過DMA完成的。下面通過運行在微機上的一段Ｃ語言程序來說明，此時EZ－LAB板插入微機的ISA總線插槽上，微機作為ADSP2106x的主機，ADSP2106x的I/O寄存器可由微機通過ISA總線上的I/O口來訪問。該程序把數(shù)據(jù)d[1024]通過DMA通道６加載到ADSP2106x內存0x26000～0x263ff中。具體程序如下：

#injcludeconio.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地址線對應

的ISA總線I/O口地址*／

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

的ISA總線I/O口地址*／

main()

 {int n,d[1024];

／*設置ADSP中DMA通道6的地址－計數(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)；／*設置II6的低16位*／

outpw(DATA,0x2)； ／*設置II6的高16位*／

outpw(ADDR,IM6); ／*尋址地址增加寄存器IM6*／

outpw(DATA,1); ／*設置IM6的低16位*／

outpw(DATA,0); ／*設置IM6的高16位*／

outpw(ADDR,C6); ／*尋址計數(shù)寄存器C6*／

outpw(DATA,1024); ／*設置C6的低16位*／

outpw(DATA,0); ／*設置C6的高16位*／

outpw(ADDR,DMAC6); ／*尋址DMA控制寄存器

DMAC6 *／

outpw(DATA,0x41);／*設置DMAC6的低16位*／

outpw(DATA,0); ／*設置DMAC6的高16位*／

／*ADSP的DMA通道6設為16／32位模式，

并開啟就緒，等待微機傳數(shù)*／

／*微機向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*／

}

}

對以上程序需要說明的有兩點：（１）ADSP2106x的地址線和數(shù)據(jù)線是通過ISA總線上兩個I/O口地址（ADDR和DATA）來訪問的；（２）ISA總線為16位，而ADSP2106x的I/O寄存器和內存的數(shù)據(jù)都為32位，因此微機要用高、低16位分別傳輸，同時把DMA6設置為16／32位模式。關于EZ-LAB的詳細情況可參見文獻[1]。

3.3 內存與外設間的DMA

對于某些外部設備，其輸入或輸出是與某個外部時鐘同步的，而與ADSP2106x的讀寫時鐘不相干。當這樣的設備與ADSP2106x接口時，通常的做法是在接口端加FIFO或雙口RAM，把ADSP2106x的讀寫與該外設的輸入或輸出時鐘隔離開來。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，對應的握手信號為DMAR1和DMAG1；以DMA通道８為輸入，對應的握手信號為DMAR2和DMAG2。整個電路只用到了最常用的74273和74374芯片，外設的讀寫時鐘最高可達40MHz。在這種握手DMA方式中，外設不占用ADSP2106x的外部地址總線。關于上面電路的詳細情況，在此不再贅述。

下面給出設置握手DMA的對應程序。這里假設要從外設2中輸入1024個數(shù)據(jù)到內存0x26000～0x264ff中，則需對DMA通道８進行如下編程：

／*設置內存地址－計數(shù)寄存器*／

R0=0x26000;

DM(II8)=R0; /*設置內存起始地址*／

R0=1；

DM(IM8)=R0； ／*設置內存地址增加值*／

R0=1024；

DM(C8)=R0； ／*設置內存寫數(shù)次數(shù)*／

／*設置外存計數(shù)寄存器*／

R0=1；

DM(EM8)=R0； ／*設置外存地址增加值*／

R0=1024；

DM(EC8)=R0； ／*設置外存輸入次數(shù)*／

R0=0x401；

DM(DMAC8)=R0； ／*設置DMA控制寄存器

DMAC8*／

／*設置為Handshake和向內存寫數(shù)方式，并使能DMA*／

／*DMA通道８開啟，等待外設的輸入時鐘，每接 收到一個時鐘，輸入一次*／

對上面程序需要說明的是：雖然電路中沒有用到外存地址，但外存計數(shù)寄存器EM7和EC7也必須設置。

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

3.4 內存與Link口間的DMA

ADSP2106x具有很強的并行工作能力，不需加任何外部仲裁電路，６片ADSP2106x和一個主機就可以很方便連在一起并行工作。它們之間的數(shù)據(jù)交換既可以通過共享的外部數(shù)據(jù)、地址總線來實現(xiàn)，也可采用點對點的Link口來完成。６個Link口是ADSP2106x芯片所獨有的高速數(shù)據(jù)接口；每個Link口包含４根數(shù)據(jù)線、一個時鐘線和一個應答信號線，最高的數(shù)據(jù)傳輸率為40Mbyte/s。

用Link口進行片間數(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)點充分發(fā)揮。在使用DMA方式進行Link口通訊時，除了要進行地址－計數(shù)寄存器的設置外，還要進行傳輸速率選擇寄存器（LCOM）和緩存－口配對寄存器（LAR）的設置；最后設置DMA控制寄存器LCTL，并開啟DMA操作。

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

／*第一片*／

r0=0X3f000;

dm(LCOM)=r0； ／*把Link口設為2x clock*／

r0=0xfff7f；

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

對應DMA通道４*／

r0=0X26000；

dm(II4)=r0； ／*設置起始地址*／

r0=1024；

dm(C4)=r0； ／*設置讀數(shù)次數(shù)*／

r0=1；

dm(IM4)=r0； ／*設置地址增加值*／

r0=0Xb00;

dm(LCTL)=r0; /*enable output DMA*/

／*第二片*／

r0=0X3f000；

dm(LCOM)=r0； ／*把Link口設為2x clock*／

r0=0xfff7f；

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

應DMA通道４*／

r0=0x23000；

dm(II4)=r0； ／*設置起始地址*／

r0=1024；

dm(C4)=r0； ／*設置讀數(shù)次數(shù)*／

r0=1；

dm(IM4)=r0； ／*設置地址增加值*／

r0=0x300；

dm(LCTL)=r0； ／*enable input DMA*／

對于上面的兩段程序，應分別加載到兩片ADSP2106x中。需要說明的是：Link Buffer 2對應DMA通道４。如果把其他的Link Buffer與Link口５配對，則需設置與該Buffer對應的DMA通道。

ADSP2106x中DMA操作功能強大，形式多樣，除了本文所介紹的部分外，還有鏈式DMA、二維DMA等，因此要全部掌握并熟練應用是有一定難度的。通過對各種DMA的應用，可以使數(shù)據(jù)進出芯片變得更加流暢，也可以使其核心處理單元的運算能力發(fā)揮到極致