ADSP-21535 Blackfin的Mem DMA高速通信

　　Ｂｌａｃｋｆｉｎ 是美國(guó)ＡＤ公司和Ｉｎｔｅｌ 公司于２００１年底聯(lián)合推出的一款定點(diǎn)ＤＳＰ， ＲＩＳＣ指令結(jié)構(gòu)，運(yùn)作高效，具有十分優(yōu)異的性能。該ＤＳＰ具有３００ＭＨｚ的主頻，２個(gè)４０ｂｉｔ的ＭＡＣ（乘加器）和２個(gè)３２ｂｉｔ的ＡＬＵ（算術(shù)邏輯單元），４個(gè)８ｂｉｔ的視頻處理單元，１６個(gè)地址尋址單元。該ＤＳＰ內(nèi)部集成了３０８ＫＢ的ＲＡＭ，并具有豐富的外部接口，如ＰＣＩ、ＵＳＢ、ＳＰＩ、同步和異步串口等。同時(shí)，芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了看門狗和多種定時(shí)器，充分滿足軟件工程穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。值得一提的是，２１５３５可以動(dòng)態(tài)地控制電壓輸入，調(diào)整運(yùn)行頻率，減少芯片功耗，十分適用于移動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

　?。玻埃埃材甑?，ＡＤ公司在中國(guó)開始大規(guī)模推廣Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列的ＤＳＰ，２１５３５成為該系列的旗艦產(chǎn)品。由于該ＤＳＰ推出時(shí)間不長(zhǎng)，相關(guān)文獻(xiàn)幾乎沒有報(bào)道；而且，在許多接口性能方面，ＡＤ公司也沒有對(duì)其給出準(zhǔn)確的指標(biāo)。根據(jù)通常的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，新產(chǎn)品通常在某些方面沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。筆者所設(shè)計(jì)的高速通信板數(shù)據(jù)交換速度必須達(dá)２０Ｍ Ｗｏｒｄ／ｓ以上，因此對(duì)該ＤＳＰ的高速通信必須進(jìn)行準(zhǔn)確仔細(xì)的評(píng)估和設(shè)計(jì)。 ＡＤＳＰ－２１５３５的內(nèi)存訪問支持Ｉ／Ｏ方式、內(nèi)存映射和多種ＤＭＡ方式，其中Ｍｅｍ ＤＭＡ（Ｍｅｍｏｒｙ ｔｏ ｍｅｍｏｒｙ ＤＭＡ）方式是最快的一種并行通信方式。因此，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了Ｍｅｍ ＤＭＡ作為高速通信方式。由于２１５３５支持多種內(nèi)存，因此在設(shè)計(jì)Ｍｅｍ ＤＭＡ?xí)r，必須對(duì)２１５３５的內(nèi)存管理有一個(gè)詳細(xì)的了解。 １ ＡＤＳＰ－２１５３５的內(nèi)存管理 ２１５３５的內(nèi)存管理十分強(qiáng)大。它把存儲(chǔ)器視為一個(gè)統(tǒng)一的４ＧＢ的地址空間，使用３２位地址。所有的資源，包括內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器、ＰＣＩ地址空間和Ｉ／Ｏ控制寄存器，都具有獨(dú)立的地址空間。此地址空間的各部分存儲(chǔ)器按照分級(jí)結(jié)構(gòu)排列，以提供較高的性能價(jià)格比。一些快速、低延遲的存儲(chǔ)器（如Ｌ１）的位置接近處理器核心，而低成本低性能的存儲(chǔ)器遠(yuǎn)離核心。

　　芯片內(nèi)部的３０８ＫＢ ＲＡＭ中，其中Ｌ１（一級(jí)緩存）５２ＫＢ，Ｌ２（二級(jí)緩存）２５６ＫＢ；外部地址訪問空間可以高達(dá)７６８ＭＢ，通過ＥＢＩＵ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｂｕｓ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｕｎｉｔ，外部總線接口單元）進(jìn)行管理。ＥＢＩＵ支持多種內(nèi)存，如ＳＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ、ＦＩＦＯ等。內(nèi)存地址的具體配置空間如圖１所示。

　?。蹋弊鳛椋模樱械囊患?jí)緩存，可以與ＤＳＰ的內(nèi)核一樣，運(yùn)行在３００Ｍｂｐｓ的高速上。它分為三部分：１６ＫＢ的Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒａｍ（指令存儲(chǔ)器）、，兩塊１６ＫＢ的Ｄａｔａ Ｒａｍ（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、４ＫＢ的Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ Ｒａｍ（中間結(jié)果緩存）。指令存儲(chǔ)器既可以作為ＳＲＡＭ，也可以配置為４路聯(lián)合設(shè)置的Ｃａｃｈｅ。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能夠配置成雙路聯(lián)合設(shè)置的Ｃａｃｈｅ或者ＳＲＡＭ；中間結(jié)果緩存只能作為ＳＲＡＭ使用。指令緩存和數(shù)據(jù)緩存都可以通過ＤＭＡ方式灌入數(shù)據(jù)，但是對(duì)于中間結(jié)果緩存這種方式不能使用。

　?。蹋沧鳛椋模樱械亩?jí)緩存，是一個(gè)統(tǒng)一的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求同時(shí)存放代碼和數(shù)據(jù)。Ｌ２具有ＤＳＰ核心同樣的帶寬，但是延遲時(shí)間較長(zhǎng)，訪問Ｌ２單個(gè)獨(dú)立的地址時(shí)系統(tǒng)需要經(jīng)過７個(gè)周期的延時(shí)，這時(shí)它的訪問速度在４２．８Ｍｂｐｓ左右。所以如果程序比較大，必須在Ｌ２中編寫程序時(shí)，通常將Ｌ１配置為Ｌ２的Ｃａｃｈｅ，這樣，速度可以大大加快。

　?。玻保担常抵С值钠獯鎯?chǔ)器種類很多，值得一提的是它的ＳＤＲＡＭ控制器。２１５３５集成的ＳＤＲＡＭ控制器能夠以ｆＳＣＬＫ（系統(tǒng)時(shí)鐘，為核心時(shí)鐘的若干分頻）的速度，與多達(dá)４個(gè)Ｂａｎｋ的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＳＤＲＡＭ或者ＤＩＭＭ接口。每個(gè)Ｂａｎｋ可以配置為１６ＭＢ～１２８ＭＢ的存儲(chǔ)器，符合ＰＣ１３３ ＳＤＲＡＭ的標(biāo)準(zhǔn)。

　　存儲(chǔ)器的ＤＭＡ控制器提供高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，它能夠在內(nèi)部Ｌ１／Ｌ２存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器（包括ＰＣＩ存儲(chǔ)空間）之間執(zhí)行代碼或者數(shù)據(jù)的塊傳輸。

　?。?ＤＭＡ寄存器的配置

　　為了描述Ｍｅｍ ＤＭＡ序列，ＤＭＡ控制器使用一套名為描述子塊（Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒ）的參數(shù)。當(dāng)需要后繼的ＤＭＡ序列時(shí)，這些描述子塊被鏈接起來。這樣，一個(gè)ＤＭＡ序列完成時(shí)能夠自動(dòng)初始化下一個(gè)序列，并將其啟動(dòng)。如果不需啟動(dòng)下一個(gè)序列，只要將其指向一個(gè)內(nèi)容為０的地址空間即可。如果下一次鏈接指向原描述子塊，則ＤＭＡ完成后暫停。為訪問整個(gè)ＡＤＳＰ－２１５３５的地址空間，源地址和目的地址描述子塊采用了全３２位地址的基指針。兩個(gè)描述子塊均為５個(gè)字的連續(xù)空間，需要注意的是該連續(xù)空間必須定義在Ｌ２范圍內(nèi)。描述子塊內(nèi)包含的內(nèi)容如圖２所示。 Ｍｅｍ ＤＭＡ規(guī)定，描述子塊所在的首地址必須傳入相關(guān)的寄存器。描述子塊首地址的高１６位裝入ＤＭＡ＿ＤＢＰ寄存器（ＤＭＡ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒ Ｂａｓｅ Ｐｏｉｎｔｅｒ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，ＤＭＡ描述子塊基地址寄存器）內(nèi)。由于該寄存器嚴(yán)格限定必須在０ｘＦ０００～０ｘＦ００３，這就限定了源和目的地址描述子塊只能定義在Ｌ２存儲(chǔ)器內(nèi)，并且高１６位地址相同。 描述子塊首地址的低１６位放在兩個(gè)寄存器中，源地址描述子塊低１６位裝入ＭＤＳ＿ＤＮＤ寄存器（Ｓｏｕｒｃｅ Ｍｅｍｏｒｙ ＤＭＡ Ｎｅｘｔ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒ Ｐｏｉｎｔｅｒ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，ＤＭＡ源地址下一個(gè)描述子塊寄存器），而目的地址描述子塊低１６位裝入ＭＤＤ＿ＤＮＤ寄存器（Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ ＤＭＡ Ｎｅｘｔ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒ Ｐｏｉｎｔｅｒ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，ＤＭＡ目的地址下一個(gè)描述子塊寄存器）。其說明如圖３所示。 在描述子塊的地址傳入相應(yīng)寄存器后，后面的四項(xiàng)先配置，然后設(shè)置第一項(xiàng)。也就是對(duì)管理ＤＭＡ啟動(dòng)參數(shù)的寄存器進(jìn)行參數(shù)配置。兩個(gè)配置寄存器的詳細(xì)內(nèi)容如圖４所示。例如當(dāng)目的地址寄存器為０ｘ８００３，源地址寄存器為０ｘ８００１時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總長(zhǎng)＝ＤＭＡ傳輸?shù)拈L(zhǎng)度字。需要注意的是，雖然此時(shí)傳輸以１６位（字長(zhǎng)）傳輸，但ＤＭＡ的帶寬是３２位，剩下的帶寬資源將被浪費(fèi)。８位傳輸時(shí)，帶寬資源利用率更低。

　　下面，以一個(gè)具體的３２位ＤＭＡ例子說明上面的描述子塊和多個(gè)寄存器的使用方法。 圖4 DMA源地址和目的地址配置寄存器 ３ ３２位ＤＭＡ的例程 Ｒ０．Ｈ ＝ ０ｘ８００９ ／／ＤＭＡ源配置字，設(shè)置為３２位傳輸 Ｒ０．Ｌ ＝ ０ｘ８００ ／／ＤＭＡ長(zhǎng)度 Ｒ１．Ｌ ＝ ０ｘ２０００ ／／ＤＭＡ源地址低１６位 Ｒ１．Ｈ ＝ ０ｘｆ０００ ／／ＤＭＡ源地址高１６位，這里指向Ｌ２ Ｒ２．Ｌ ＝ ＲＡＭ＿ＲＥＡＤ ／／ＤＭＡ源描述子塊首地址 低十六位，ＤＭＡ讀 Ｒ２．Ｈ ＝ ０ｘ８００ｂ ／／ＤＭＡ目的配置字，設(shè)置為３２位傳輸 Ｒ３．Ｌ ＝０ｘ００００ ／／ＤＭＡ目的地址低１６位 Ｒ３．Ｈ ＝０ｘｆｆ９０ ／／ＤＭＡ目的地址高１６位，這里指向 Ｌ１數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器－Ｂａｎｋ Ｂ Ｒ４．Ｌ ＝ ＲＡＭ＿ＷＲＩＴＥ ／／ＤＭＡ目的描述子塊首地址低 十六位，ＤＭＡ寫 Ｐ０．Ｌ ＝ ＲＡＭ＿ＲＥＡＤ ／／將３２位的源描述子塊的地址 載入Ｐ０ Ｐ０．Ｈ ＝ ＲＡＭ＿ＲＥＡＤ Ｐ１．Ｌ ＝ ＲＡＭ＿ＷＲＩＴＥ ／／將３２位的目的描述子塊的地 址載入Ｐ１ Ｐ１．Ｈ ＝ ＲＡＭ＿ＷＲＩＴＥ ＷＰ０＋０ｘ２ ＝ Ｒ０ ／／將ＤＭＡ長(zhǎng)度寫入源描述塊第 二個(gè)字中 Ｐ０＋０ｘ４ ＝ Ｒ１ ／／將ＤＭＡ的３２位源起始地址 寫入源描述塊第三第四個(gè)字中 ＷＰ０＋０ｘ８ ＝ Ｒ２．Ｌ ／／將下一個(gè)源描述子塊的地址 寫入源描述塊第五個(gè)字中 ＷＰ１＋０ｘ２ ＝ Ｒ０ ／／將ＤＭＡ長(zhǎng)度寫入目的描述塊 第二個(gè)字中 Ｐ１＋０ｘ４ ＝ Ｒ３ ／／將ＤＭＡ的３２位目的起始地址 寫入目的描述塊第三第四個(gè)字中 ＷＰ１＋０ｘ８ ＝ Ｒ４ ／／將下一個(gè)目的描述子塊的地 址寫入目的描述塊第五個(gè)字中 ＷＰ０ ＝ Ｒ０．Ｈ ／／將ＤＭＡ源配置字寫入源描述 塊第一個(gè)字中 ＷＰ１ ＝ Ｒ２．Ｈ ／／將ＤＭＡ目的配置字寫入目的 描述塊第一個(gè)字中 Ｒ６ ＝ Ｐ０ ／／將Ｐ０的值同時(shí)存在Ｒ６內(nèi) Ｐ２．Ｌ ＝ ０ｘ３９０Ａ ／／將ＤＭＡ源描述子塊配置寄存 器的地址傳給Ｐ２ Ｐ２．Ｈ ＝ ０ｘＦＦＣ０ ＷＰ２ ＝ Ｒ６．Ｌ ／／將ＤＭＡ源描述子塊所在地址 的低１６位傳給Ｐ２指向的地方 Ｐ３．Ｌ ＝ ０ｘ４８８０ ／／將描述子塊基地址寄存器的 地址傳給Ｐ３ Ｐ３．Ｈ ＝ ０ｘＦＦＣ０ ＷＰ３ ＝ Ｒ６．Ｈ ／／將ＤＭＡ源描述子塊所在地址 的高１６位傳給基地址寄存器 Ｐ４．Ｌ ＝ ０ｘ３８０Ａ Ｐ４．Ｈ ＝ ０ｘＦＦＣ０ ／／將ＤＭＡ目的描述子塊配置寄 存器的地址傳給Ｐ４ Ｒ６ ＝ Ｐ１ ／／將Ｐ１的值轉(zhuǎn)存到Ｒ６ ＷＰ４ ＝ Ｒ６．Ｌ ／／將目的描述子塊所在地址的 低１６位傳給配置目的地址寄存器 Ｐ５．Ｌ ＝ ０ｘ３９０２ Ｐ５．Ｈ ＝ ０ｘＦＦＣ０ ／／將ＤＭＡ源地址配置寄存器所 在地址傳給Ｐ５ Ｒ６ ＝ ＷＰ５ ＢＩＴＳＥＴＲ６０ ／／設(shè)置Ｒ６的最低位為１，表示 準(zhǔn)備啟動(dòng)讀ＤＭＡ Ｉ０．Ｌ ＝ ０ｘ３８０２ Ｉ０．Ｈ ＝ ０ｘＦＦＣ０ ／／將ＤＭＡ目的地址配置寄存器 的地址傳給Ｉ０ Ｒ７．Ｌ ＝ ＷＩ０ ＢＩＴＳＥＴＲ７０ ／／設(shè)置Ｒ７的最低位為１，表示 準(zhǔn)備啟動(dòng)寫ＤＭＡ ＷＰ５ ＝ Ｒ６ ／／將Ｒ６和Ｒ７的低１６位寫入 兩個(gè)配置寄存器中，真正啟動(dòng)ＤＭＡ ＷＩ０ ＝ Ｒ７．Ｌ ＤＭＡ＿ＷＡＩＴ ／／等待ＤＭＡ結(jié)束 Ｒ６ ＝ ＷＰ１ ／／根據(jù)寫描述子塊第一個(gè)字的 最高位判斷描述子塊的所有權(quán) ｃｃ ＝ ｂｉｔｔｓｔＲ６１５ ＩＦ ｃｃ ＪＵＭＰ ＤＭＡ＿ＷＡＩＴ ／／如果為１，表示還在ＤＭＡ 狀態(tài)，繼續(xù)判斷，等待 ＲＴＳ ．ａｌｉｇｎ ４ ／／在Ｌ２空間范圍內(nèi)定義兩個(gè) 描述子塊，要求４個(gè)字節(jié)對(duì)齊 ．ＢＹＴＥ２ ＲＡＭ＿ＲＥＡＤ５ ．ａｌｉｇｎ ４ ．ＢＹＴＥ２ ＲＡＭ＿ＷＲＩＴＥ５

　　值得注意的是，在上述ＤＭＡ例程中，筆者使用了查詢等待方式，但中間完全可以插入其他指令，例如ＤＳＰ還可以同時(shí)作雙乘加和兩次３２位取數(shù)。只要不訪問正在ＤＭＡ讀寫的地址區(qū)域，沒有任何影響。這意味著，在系統(tǒng)ＤＭＡ的同時(shí)，ＤＳＰ可以同時(shí)進(jìn)行其他操作，這一點(diǎn)對(duì)于提高ＤＳＰ的效率至關(guān)重要。

　?。?各種內(nèi)存空間的ＤＭＡ訪問指標(biāo)測(cè)試及分析

　　根據(jù)以上配置，筆者對(duì)ＡＤＳＰ－２１５３５的ＤＭＡ性能進(jìn)行了比較詳盡的測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表１所示。 表1 21535的DMA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 源地址目的地址 DMA長(zhǎng)度（雙字）周期數(shù)（個(gè)）速度（雙字/秒） L2 L1 4096 43615 28.2M L2 SDRAM 8192 54878 44.8M L2 L2 8192 66737 36.8M L1 L1 4096 64164 19.1M L1 SDRAM 4096 39891 30.8M L1 L2 4096 52661 23.3M SDRAM L1 4096 28625 42.9M SDRAM SDRAM 4096 65668 18.7M SDRAM L2 8192 52314 46.9M 注：測(cè)試環(huán)境-DSP核心時(shí)鐘300MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘120MHz，SDRAM為PC133標(biāo)準(zhǔn)。樣本采樣：各15次 從表１中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，ＤＭＡ的速度均在１８．７Ｍ雙字／秒以上，最高速度達(dá)４６．９Ｍ雙字／秒，可以滿足工程中高速采集的需要。從表中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論： （１）ＤＭＡ雙向速度不對(duì)稱，將源地址和目的地址交換后，速度會(huì)發(fā)生變化； （２）低速向高速區(qū)域傳輸時(shí)，要比反向傳輸快； （３）同類區(qū)域ＤＭＡ一般比區(qū)域之間ＤＭＡ要慢。如Ｌ１ ＤＭＡ到Ｌ１，比Ｌ１ ＤＭＡ到Ｌ２和ＳＤＲＡＭ都要慢一些。其它區(qū)域也有類似現(xiàn)象。 （４）高速區(qū)域ＤＭＡ速度并不一定快，如Ｌ１區(qū)域ＤＭＡ速度總體表現(xiàn)反而最低。