王勝，史興強(qiáng)，楊曉剛

（中科芯集成電路股份有限公司，江蘇無錫214072）

SoC系統(tǒng)中DMA控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王勝，史興強(qiáng)，楊曉剛

（中科芯集成電路股份有限公司，江蘇無錫214072）

設(shè)計(jì)了一種高速、多通道DMA控制器。該控制器可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)通道優(yōu)先級(jí)可以配置，并支持通道循環(huán)傳輸功能。邏輯綜合結(jié)果表明，該DMA控制器具有良好的傳輸性能，可廣泛應(yīng)用于片上系統(tǒng)中。

多通道；DMA控制器；片上系統(tǒng)

1 引言

在片上系統(tǒng)(SoC)中，外設(shè)與存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸，而直接存儲(chǔ)器存取(DMA)技術(shù)可以有效緩解這個(gè)問題，因此得到廣泛的關(guān)注和研究[1]。本文設(shè)計(jì)的DMA控制器有以下特點(diǎn)：包含7個(gè)獨(dú)立可配置的通道，每個(gè)通道均支持硬件與軟件請(qǐng)求；各個(gè)通道之間的優(yōu)先級(jí)可以通過軟件進(jìn)行配置；源的數(shù)據(jù)寬度與目標(biāo)的數(shù)據(jù)寬度可以獨(dú)立設(shè)置，能夠根據(jù)地址以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾?，將有效?shù)據(jù)進(jìn)行打包與拆包[2]；支持自動(dòng)循環(huán)傳輸，通道完成數(shù)據(jù)傳輸后，自動(dòng)恢復(fù)成初始配置狀態(tài)，重新開始數(shù)據(jù)傳輸，不需要CPU重新進(jìn)行設(shè)置；DMA通道的請(qǐng)求，仲裁和確認(rèn)是在AHB系統(tǒng)總線外執(zhí)行的，一個(gè)DMA數(shù)據(jù)訪問只占用總線兩個(gè)周期，能夠最大程度減少總線占用率[3]。

2 DMA控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DMAC（Direct Memory Access Controller）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于AHB總線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中包含AHB SLAVE接口模塊，仲裁模塊，7個(gè)通道控制模塊和AHB Master模塊。AHB Slave模塊主要功能是依據(jù)AHB讀寫時(shí)序?qū)MA寄存器進(jìn)行配置。仲裁模塊是對(duì)7個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷，輸出當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)通道的編號(hào)。通道控制模塊主要功能是進(jìn)行傳輸?shù)刂酚?jì)算，對(duì)傳輸量進(jìn)行計(jì)數(shù)，與外設(shè)的傳輸請(qǐng)求進(jìn)行握手以及通道的中斷控制。AHB Master將從源地址讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)根據(jù)地址以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾?，將有效?shù)據(jù)進(jìn)行打包與拆包最后寫到目的地址中去[4]。

圖1 DMAC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 仲裁模塊

仲裁模塊的輸入是外設(shè)的DMA硬件請(qǐng)求信號(hào)，7個(gè)通道的軟件請(qǐng)求信號(hào)，通道使能信號(hào)和寄存器配置的通道優(yōu)先級(jí)，輸出是當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高通道。如圖2所示。當(dāng)仲裁模塊檢測到外設(shè)有DMA傳輸請(qǐng)求時(shí)，則開始進(jìn)行仲裁，并在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)的通道編號(hào)送出。通道仲裁分兩個(gè)檢測階段：

(1)檢測軟件配置：每個(gè)通道的優(yōu)先權(quán)可以在DMA控制寄存器中設(shè)置優(yōu)先級(jí)，總共有4個(gè)等級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)，中等優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)。

(2)檢測通道編號(hào)：如果2個(gè)請(qǐng)求有相同的軟件優(yōu)先級(jí)，則編號(hào)低的通道優(yōu)先級(jí)高，如通道2與通道4的優(yōu)先等級(jí)相同，則通道2優(yōu)先級(jí)高于通道4。

圖2 仲裁模塊

為了最大程度地降低DMA控制器的功耗，將每個(gè)通道的使能信號(hào)chnx_en用作各個(gè)通道請(qǐng)求門控使能。只有當(dāng)通道使能有效，才能真正產(chǎn)生通道請(qǐng)求，才能使仲裁器開始仲裁。否則仲裁模塊始終處于待機(jī)狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)如下：

在仲裁模塊內(nèi)部設(shè)置了7個(gè)4-bit的優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器chnx_pl_req，分別包含最高優(yōu)先級(jí)(veryhigh_req)，高優(yōu)先級(jí)(high_req)，中等優(yōu)先級(jí)(medium_req)和低優(yōu)先級(jí)(low_req)這4位，如圖3所示。當(dāng)某一通道出現(xiàn)硬件或軟件請(qǐng)求時(shí)，并且該通道使能開啟，才能產(chǎn)生真正有效的通道請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)有效的通道請(qǐng)求信號(hào)生成，仲裁器才開始檢測對(duì)應(yīng)通道寄存器DMA_CCRx中的優(yōu)先級(jí)配置位(PL)：當(dāng)PL位設(shè)置為11時(shí)，則將優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中veryhigh_req位置1，當(dāng)PL設(shè)置為10時(shí)，則將優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中high_req位置1，當(dāng)PL位為01時(shí)，則將優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中medium_req位置1，當(dāng)PL位為00時(shí)，則將優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中l(wèi)ow_req位置1。

一旦仲裁模塊完成優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求的標(biāo)記，則開始檢測在同一優(yōu)先級(jí)條件下通道的編號(hào)。仲裁模塊首先分別將7個(gè)優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中的veryhigh_req位、high_req位、medium_req位和low_req位進(jìn)行或操作，只有當(dāng)或操作結(jié)果為1時(shí)，才會(huì)進(jìn)行通道編號(hào)的檢測。否則認(rèn)為該優(yōu)先等級(jí)條件下沒有通道請(qǐng)求。如果或操作的結(jié)果為1，就從通道1到通道7依次開始查詢。例如7個(gè)優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器中的veryhigh_req位或操作結(jié)果為1，則開始檢測通道編號(hào)：如果通道1中veryhigh_req為1，仲裁模塊就將通道1編號(hào)輸出；如果通道1中veryhigh_req為0，則查詢通道2中的veryhigh_req位，如果通道2中veryhigh_req為1，仲裁模塊就將通道2編號(hào)輸出；如果通道1、通道2中的veryhigh_req都為0，則查詢通道3中的veryhigh_req位，如果通道3中veryhigh_req為1，仲裁模塊就將通道3編號(hào)輸出；按照上述方法依次進(jìn)行通道編號(hào)的檢測。

圖3 通道優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求寄存器

4 通道控制模塊

4.1 握手接口設(shè)計(jì)

握手接口的設(shè)計(jì)主要是基于不同時(shí)鐘域情況下考慮的。DMA控制器是屬于AHB時(shí)鐘域的，而系統(tǒng)中絕大部分外設(shè)是APB時(shí)鐘域的，AHB的時(shí)鐘頻率往往大于APB的時(shí)鐘頻率。為了保證DMA控制器給出的應(yīng)答信號(hào)能夠被不同時(shí)鐘域上的外設(shè)接收到，將外設(shè)發(fā)出的傳輸請(qǐng)求信號(hào)與DMA控制器發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行握手[5]。具體實(shí)現(xiàn)如下。

外設(shè)需要DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)向DMA控制器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)后，并將該請(qǐng)求信號(hào)一直保持有效。當(dāng)DMA控制器訪問外設(shè)并完成一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸后，DMA控制器立即發(fā)送給它一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)從DMA控制器得到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，外設(shè)立即釋放它的請(qǐng)求。一旦外設(shè)釋放了這個(gè)請(qǐng)求，DMA控制器同時(shí)撤銷應(yīng)答信號(hào)。其中傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，外設(shè)就要發(fā)送一次請(qǐng)求。當(dāng)外設(shè)是Memory時(shí)，則不需要握手信號(hào)。DMA控制器除了給出應(yīng)答信號(hào)，在所有的數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，還需要給出傳輸完成信號(hào)dma_tc(transfer complete)，用于說明當(dāng)前傳輸已經(jīng)全部完成。傳輸完成信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)時(shí)序一致，如圖4所示。

圖4 握手接口時(shí)序

4.2 地址計(jì)算與傳輸計(jì)數(shù)器

DMA控制器每完成一次讀寫操作，讀數(shù)據(jù)的地址與寫數(shù)據(jù)的地址都需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新操作。在DMA控制寄存器中分別設(shè)計(jì)了兩位控制位：外設(shè)地址增量PINC和存儲(chǔ)器地址增量MINC。根據(jù)PINC和MINC的值，外設(shè)和存儲(chǔ)器的傳輸?shù)刂吩诿看蝹鬏敽罂梢杂羞x擇地完成自動(dòng)增量。

當(dāng)PINC和MINC標(biāo)志位為0，則傳輸?shù)刂肥冀K保持不變。當(dāng)PINC和MINC標(biāo)志位不為0時(shí)，也即設(shè)置為增量模式時(shí)，下一個(gè)要傳輸?shù)牡刂穼⑹乔耙粋€(gè)地址加上增量值，增量值取決于所選的數(shù)據(jù)寬度。如果數(shù)據(jù)寬度是8-bit，則地址加1。如果數(shù)據(jù)寬度是16-bit，則地址加2。如果數(shù)據(jù)寬度是32-bit，則地址加4，如圖5所示。

第一個(gè)傳輸?shù)牡刂肥谴娣旁谕ǖ劳庠O(shè)地址寄存器DMA_CPARx和通道存儲(chǔ)器地址寄存器DMA_CMARx中的。在傳輸過程中，這些寄存器始終保持它們初始的數(shù)值。在自動(dòng)循環(huán)模式下，最后一次傳輸結(jié)束時(shí)，地址計(jì)算模塊會(huì)重新加載DMA_CPARx和DMA_CMARx寄存器中的初始基地址，開始重新傳輸。

圖5 地址計(jì)算邏輯

DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是可編程的，最大可以傳輸65535個(gè)32-bit的數(shù)據(jù)。DMA每進(jìn)行一次傳輸，傳輸計(jì)數(shù)器就減1，值到傳輸計(jì)數(shù)器中的值為0時(shí)，表示DMA傳輸結(jié)束。在傳輸過程中，如果出現(xiàn)更高優(yōu)先級(jí)通道，當(dāng)前通道數(shù)據(jù)傳輸會(huì)停止，計(jì)數(shù)器會(huì)保留當(dāng)前傳輸計(jì)數(shù)值，直到該通道恢復(fù)傳輸。

當(dāng)通道配置為非循環(huán)模式時(shí)，傳輸結(jié)束后(即傳輸計(jì)數(shù)變0)將不再產(chǎn)生DMA操作。即使該通道有新的請(qǐng)求，DMA也不會(huì)去響應(yīng)。要開始新的DMA傳輸，需要在關(guān)閉DMA通道的情況下，重新配置傳輸數(shù)目。

在自動(dòng)循環(huán)模式下，最后一次傳輸結(jié)束時(shí)，通道傳輸計(jì)數(shù)器會(huì)重新加載初始數(shù)值，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。

5 AHB Master

AHB Master的主要功能是將從源地址讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)地址以及數(shù)據(jù)傳輸寬度進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的有效數(shù)據(jù)寫到目的地址中去。在整個(gè)SoC系統(tǒng)中，DMA控制器的AHB Master是與總線矩陣Bus Matrix的0端口連接的，這就意味著DMA控制器總線的優(yōu)先級(jí)高于內(nèi)核總線的優(yōu)先級(jí)。一旦DMA進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，就會(huì)長時(shí)間占據(jù)著系統(tǒng)總線，從而阻塞內(nèi)核對(duì)系統(tǒng)總線的使用[6]。盡可能減少DMA控制器對(duì)系統(tǒng)總線的占用率，是設(shè)計(jì)AHB Master的重點(diǎn)。

規(guī)劃整個(gè)DMA工作流程時(shí)，將DMA通道的請(qǐng)求、仲裁以及傳輸完成后與外設(shè)的握手放在AHB系統(tǒng)總線外執(zhí)行。這樣一個(gè)DMA數(shù)據(jù)訪問最少只占用總線兩個(gè)周期，最大程度減少總線占用率。DMA傳輸時(shí)，占用總線的周期如圖6所示，一個(gè)DMA訪問花費(fèi)2個(gè)周期在系統(tǒng)總線上。系統(tǒng)總線永遠(yuǎn)不會(huì)被DMA完全凍結(jié)，DMA占據(jù)系統(tǒng)總線訪問數(shù)據(jù)時(shí)，至少保留3個(gè)周期給CPU，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

圖6 DMA傳輸占用總線周期

AHB Master模塊狀態(tài)機(jī)如圖7所示，總共分為5個(gè)狀態(tài)：IDLE，READ_ADDR，READ_DATA，WRITE_ ADDR，WRITE_DATA。狀態(tài)機(jī)復(fù)位時(shí)進(jìn)入IDLE狀態(tài)，當(dāng)有DMA傳輸請(qǐng)求時(shí)進(jìn)入READ_ADDR狀態(tài)。在READ_ADDR狀態(tài)下AHB Master輸出讀地址，AHB控制信號(hào)以及使能計(jì)數(shù)器。在READ_DATA狀態(tài)時(shí)，計(jì)數(shù)hreadyin為0的時(shí)鐘周期數(shù)。如果hreadyin始終為低電平，并持續(xù)32個(gè)hclk周期，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)；如果在此狀態(tài)下hreadyin為高電平，進(jìn)入WRITE_ADDR狀態(tài)并發(fā)送寫地址和AHB控制信號(hào)。WRITE_DATA狀態(tài)下AHB Master將對(duì)齊后的寫數(shù)據(jù)送到總線hwdata上，計(jì)數(shù)hreadyin為0的時(shí)鐘周期數(shù)。如果此時(shí)hreadyin始終為低電平，并持續(xù)32個(gè)hclk，也進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

圖7 AHB Master狀態(tài)機(jī)

6 仿真與綜合

DMA控制器功能仿真如圖8(a)所示。在通道5數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，仲裁模塊發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級(jí)通道請(qǐng)求，并輸出最高優(yōu)先級(jí)通道編號(hào)6。DMA控制器將系統(tǒng)總線的使用權(quán)由通道5切換給通道6，通道6則開始數(shù)據(jù)傳輸。通道5傳輸計(jì)數(shù)器完成一次計(jì)數(shù)后保留計(jì)數(shù)值，直到重新獲得系統(tǒng)總線的使用權(quán)。圖8(b)中，DMA控制器7個(gè)通道全部開啟，依次完成數(shù)據(jù)的傳輸。

設(shè)計(jì)采用Synopsys公司的Design Compiler為綜合工具，以TSMC 55 nm工藝庫在最壞情況下對(duì)DMA控制器進(jìn)行邏輯綜合。當(dāng)時(shí)鐘頻率為200 MHz時(shí)，最長路徑延時(shí)為5.04 ns，動(dòng)態(tài)功耗為496.3515 μW，漏流功耗為2.2614 μW。綜合和仿真結(jié)果表明，DMA控制器的設(shè)計(jì)滿足SoC系統(tǒng)對(duì)功耗及路徑延時(shí)的要求。

圖8 DMA控制器功能仿真

7 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種多通道DMA控制器，大大提高了SoC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，有效減輕處理器的負(fù)擔(dān)，從而提高系統(tǒng)性能。目前該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于SoC系統(tǒng)中。

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Design and Implementation of a SoC-based DMA Controller

WANG Sheng,SHI Xingqiang,YANG Xiaogang
（China key system Co.,Ltd,Wuxi 214072,China）

A high-speed multi-channel DMA controller is designed in the paper.The controller manages memory-to-memory,peripheral-to-memory and memory-to-peripheral transfers.The transfer priority of different channels is configurable with automatic transfer.The DMA controller has good performance according to the synthesisresultand can be widely used in SoC systems.

multichannel;DMAcontroller;SoC

TN402

A

1681-1070（2017）08-0025-04

王勝（1979—），男，江蘇鹽城人，2001年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事大規(guī)模數(shù)字SoC設(shè)計(jì)工作。

2017-4-21