ADSP2106x中DMA的应用

   摘 要： 直接内存存取（DMA）是DSP芯片中用于快速数据交换的重要技术，对AD公司的浮点系列芯片ADSP2106x中的DMA的应用进行了详细介绍，并给出实际应用中的一些例子。

    关键词： DMA 浮点系列芯片ADSP2106x

    １ DMA概述

    直接内存存取（DMA）对计算机系统是非常重要的。它可以使CPU在运行指令的同时，系统能实现从外部存储器或设备中存取数据，也可以在CPU不参与的情况下，由专用的DMA设备存取数据。

    对于浮点DSP芯片来讲，DMA的作用更是重要。众所周知，DSP芯片主要是面向实时的信号处理，其核心的运算部件具有很高的运算速度，常以MFLOPS（每秒百万次浮点运算）来衡量。ADSP2106x为120MFLOPS，但该速度是以存储在芯片内部存储器中的程序和数据为前提的。在DSP内部往往采用多总线的哈佛结构，数据总线和程序总线相互独立，即指令的存取和数据的存取并行不悖；另外在ADSP2106x内部还有各种接口总线，用以提高数据的流通能力。但在芯片的外部，所有的总线都合并在一起了。因此为了发挥DSP核心运算单元的高速运算能力，首先必须把程序和数据传输到芯片的内存中，这通常需要DMA操作来实现。

    另一方面，DSP系统总要与各种外部信号打交道，它从外部输入数字信号，经过各种算法的处理后，再输出给其他设备。不仅如此，对于浮点DSP系统，数据的输入和输出常常是连续不断的。试想，如果用DSP的核心部件来完成数据的输入和输出，它高速的运算能力又如何发挥得出来呢？所以，浮点系列的DSP芯片大都把DMA控制部分直接集成到了芯片上，用DMA来完成数据的输入和输出。

    高效的DSP系统通常采用图１所示的结构。在内存中开辟出四块缓存区，两个作为输入缓存，两个作为输出缓存，用来实现输入、输出的乒乓切换。核心处理单元直接从输入缓存中取数运算，然后把运算结果写入输出缓存；而数据从外部接口的输入和输出则完全由DMA来实现，不需核心处理单元的参与。只要核心处理单元的运算速度和DMA的数据率满足要求，图１所示的结构就可以完成连续的数据流输入和输出。当然，从外部看，数据的输入和输出是连续的，但在芯片内部却是分段处理的。分段处理虽然带来一些误差，但只要缓存的数据足够长，就可以使误差降到允许的范围。因为间隔越长，前后数据间的相关性越小，相互间的影响就越小，故分段处理是可行的。由于分段处理，也给DSP芯片的结构带来了一个重要影响，那就是尽可能地增加其内部存储器的容量。对于ＡDSP21060，其内部的SRAM容量达4Mbit，可以满足大多数分段处理的需要。

    下面首先对ADSP2106x中的DMA做概要介绍，然后对几种典型的DMA操作进行详细分析。

    ２ ADSP2106x中的DMA

    ADSP2106x中的片内DMA控制器可以同时控制10个通道的DMA，完成下列类型的数据传输操作：

    ·内存外存或外部存储器映射设备

    ·内存其他ADSP2106x的内存

    ·内存主机接口

    ·内存串行口

    ·内存Link口

    ·内存外部设备

    ·外存外部设备

    丰富的数据流向可以使ADSP2106x实现对各种外设的接口；另外，由于ADSP2106x的内存是双口SRAM，因此在进行上述DMA操作的同时，核心处理单元仍可以读写内存，使DMA操作与内部运算处理达到高度的并行性。当然，应尽量避免二者同时对同一内存地址进行读写。

    每个DMA通道都有一个（或两个）用FIFO实现的数据缓存器，最大的缓冲深度为６级，用以提高DMA数据传输率。所有的DMA数据传输都是通过这10个数据缓存器来完成的，这些缓存器如表１所示。其中通道1、3、6、7都是两个缓存器共用一个DMA通道。所有数据缓存器作为I/O寄存器被映射到内存的前256个地址中。

    DMA的编程是通过内部核心处理单元或外部主机对片内有关的I/O寄存器设置来实现的，这些I/O口寄存器也被映射到内存的前256个地址上。与DMA操作有关的I/O寄存器除了前面的数据缓存器外，主要还包括：

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

    ·地址－计数寄存器：II0～9，IM0～9，C0～9，EI6～9，EM6～9，EC6～9。

    ·链式操作指针寄存器：CP0～9。

    ·二维操作寄存器（也可作DMA通用寄存器）：GP0～9，DA0～5，DB0～5。

    ·DMA状态寄存器：DMASTAT。

    DMA设置传输过程一般如下：

    （１）设置对应通道的地址－计数寄存器。

    （２）设置对应通道的DMA控制寄存器，并将其中的DMA使能位设为有效。

    （３）开始DMA数据传输。

    （４）DMA传输结束后，产生对应的中断，程序对中断进行处理。

    ３ 几种常用的DMA操作

    在基于ADSP2106x的DSP系统的开发过程中，最常用到以下几种DMA操作：内存与外存、内存与主机、内存与外设、内存与Link口间的数据交换。

    3.1 内存与外存间的DMA

    内存与外存间的DMA传输可用DMA通道6～9这四个通道中的任一个。这里用一个例子来说明，假如要把内存地址0x26000～0x263ff中的1024个数用DMA通道6传送到外存0x400000～4003ff中，可用下面的编程来实现：

    ／*设置内存地址－计数寄存器*／

    R0=0x26000;

    DM(II6)=R0; ／*设置内存起始地址*／

    R0=1

    DM(IM6)=R0; ／*设置内存地址增加值*／

    R0=1024;

    DM(C6)=R0 ／*设置内存读数次数*／

    ／*设置外存地址－计数寄存器*／

    R0=0x400000;

    DM(E16)=R0; ／*设置外存起始地址*／

    R0=1；

    DM(EM6)=R0; ／*设置外存地址增加值*／

    R0=1024；

    DM(EC6)=R0； ／*设置外存写数次数*／

    R0=0x0205;

    DM(DMAC6)=R0;；／*设置DMA控制寄存器

    DMAC6*／

    ／*设置为Master和从内存读数方

    式，并使能DMA*／

    ／*DMA通道６开启DMA传数操作*／

    这里需要说明两点：（１）I/O寄存器不能用立即数来直接赋值，而要通过通用寄存器R0～15或USTAT0～1来赋值；（２）在ADSP2106x中，由于数据的宽度有8、16、32和48几种方式，通过DMA传输时，内存和外部接口上的宽度可以不同，因此对应的读写次数可能不同，故内部计数器和外部计数器要分别设置。

    对于外部存储器映射设备，其接口地址是固定的，此时内存与该外设间DMA的编程更加简单。比如某外设的地址设在0x400000，要把内存0x26000～0x263ff中的1024个数用DMA通道６传送到该外设接口上，只需把上面程序中的EM6设为０即可。

    3.2 内存与主机间的DMA

    在ADSP2106x芯片上包含了一个主机（host）接口，可以使其方便地与通用16位或32位计算机相连接，此时，通用计算机就作为ADSP2106x的主机，它可对ADSP2106x的片内存储器进行访问。通常情况下，为了减少主机对ADSP2106x寻址的地址线根数，以降低硬件复杂性，主机往往只对ADSP2106x的I/O寄存器（有256个）寻址，寻址的地址线只需8根１。BittWare公司的ADSP2106xEZ－LAB开发板即采用了此种方式。在这种情况下，主机与ADSP2106x内存间的数据交换大多是通过DMA完成的。下面通过运行在微机上的一段Ｃ语言程序来说明，此时EZ－LAB板插入微机的ISA总线插槽上，微机作为ADSP2106x的主机，ADSP2106x的I/O寄存器可由微机通过ISA总线上的I/O口来访问。该程序把数据d[1024]通过DMA通道６加载到ADSP2106x内存0x26000～0x263ff中。具体程序如下：

    #injclude"conio.h"

    #include "def21060.h" /*ADSP I/O寄存器地址定义文件*／

    #include :stdio.h"

   #define ADDR 0X402 ／*定义ＡDSP地址线对应

    的ISA总线I/O口地址*／

    #define DATA 0x404 ／*定义ＡDSP数据线对应

    的ISA总线I/O口地址*／

    main()

  {int n,d[1024];

    ／*设置ADSP中DMA通道6的地址－计数寄存器及控制寄存器*／

    outpw(ADDR,II6); ／*寻址起始地址寄存器II6*／

    outpw(DATA,0x6000)；／*设置II6的低16位*／

    outpw(DATA,0x2)； ／*设置II6的高16位*／

    outpw(ADDR,IM6); ／*寻址地址增加寄存器IM6*／

    outpw(DATA,1); ／*设置IM6的低16位*／

    outpw(DATA,0); ／*设置IM6的高16位*／

    outpw(ADDR,C6); ／*寻址计数寄存器C6*／

    outpw(DATA,1024); ／*设置C6的低16位*／

    outpw(DATA,0); ／*设置C6的高16位*／

    outpw(ADDR,DMAC6); ／*寻址DMA控制寄存器

    DMAC6 *／

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

    outpw(DATA,0); ／*设置DMAC6的高16位*／

    ／*ADSP的DMA通道6设为16／32位模式，

    并开启就绪，等待微机传数*／

    ／*微机向DMA通道6的数据缓存器EPB0中连续写入数据ｄ[．]*／

    outpw(ADDR,EPB0）; ／*寻址DAM通道6的数

    据缓存器EPB0*/

    for(n=0;n＜1024;n++)

  {outpw(DATA,d[n]）； ／*写数据d[n]*／

    outpw(DATA,0); ／*高16位写0*／

    }

}

    对以上程序需要说明的有两点：（１）ADSP2106x的地址线和数据线是通过ISA总线上两个I/O口地址（ADDR和DATA）来访问的；（２）ISA总线为16位，而ADSP2106x的I/O寄存器和内存的数据都为32位，因此微机要用高、低16位分别传输，同时把DMA6设置为16／32位模式。关于EZ-LAB的详细情况可参见文献[1]。

    3.3 内存与外设间的DMA

    对于某些外部设备，其输入或输出是与某个外部时钟同步的，而与ADSP2106x的读写时钟不相干。当这样的设备与ADSP2106x接口时，通常的做法是在接口端加FIFO或双口RAM，把ADSP2106x的读写与该外设的输入或输出时钟隔离开来。但ADSP2106x芯片本身提供了更灵活、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，其典型应用电路如图２所示。

    图中以８位数据线宽度为例，以DMA通道７为输出，对应的握手信号为DMAR1和DMAG1；以DMA通道８为输入，对应的握手信号为DMAR2和DMAG2。整个电路只用到了最常用的74273和74374芯片，外设的读写时钟最高可达40MHz。在这种握手DMA方式中，外设不占用ADSP2106x的外部地址总线。关于上面电路的详细情况，在此不再赘述。

    下面给出设置握手DMA的对应程序。这里假设要从外设2中输入1024个数据到内存0x26000～0x264ff中，则需对DMA通道８进行如下编程：

    ／*设置内存地址－计数寄存器*／

    R0=0x26000;

    DM(II8)=R0;    /*设置内存起始地址*／

    R0=1；

    DM(IM8)=R0； ／*设置内存地址增加值*／

    R0=1024；

    DM(C8)=R0； ／*设置内存写数次数*／

    ／*设置外存计数寄存器*／

    R0=1；

    DM(EM8)=R0； ／*设置外存地址增加值*／

    R0=1024；

    DM(EC8)=R0； ／*设置外存输入次数*／

    R0=0x401；

    DM(DMAC8)=R0； ／*设置DMA控制寄存器

    DMAC8*／

    ／*设置为Handshake和向内存写数方式，并使能DMA*／

    ／*DMA通道８开启，等待外设的输入时钟，每接 收到一个时钟，输入一次*／

    对上面程序需要说明的是：虽然电路中没有用到外存地址，但外存计数寄存器EM7和EC7也必须设置。

    如果要向外设１中输入数据，则需要对DMA7进行类似的编程。

    3.4 内存与Link口间的DMA

    ADSP2106x具有很强的并行工作能力，不需加任何外部仲裁电路，６片ADSP2106x和一个主机就可以很方便连在一起并行工作。它们之间的数据交换既可以通过共享的外部数据、地址总线来实现，也可采用点对点的Link口来完成。６个Link口是ADSP2106x芯片所独有的高速数据接口；每个Link口包含４根数据线、一个时钟线和一个应答信号线，最高的数据传输率为40Mbyte/s。

    用Link口进行片间数据交换，通常情况下都要采用DMA方式，这样才能将其优点充分发挥。在使用DMA方式进行Link口通讯时，除了要进行地址－计数寄存器的设置外，还要进行传输速率选择寄存器（LCOM）和缓存－口配对寄存器（LAR）的设置；最后设置DMA控制寄存器LCTL，并开启DMA操作。

    假设有两片ADSP2106x，它们相互间用Link5口相连；我们要把第一片内存0x26000～0x263ff中的1024个数用Link5口传输到第二片的内存0x23000～0x23fff处，则两片ADSP2106x的DMA编程设置如下：

    ／*第一片*／

    r0=0X3f000;

    dm(LCOM)=r0； ／*把Link口设为2x clock*／

    r0=0xfff7f；

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

    对应DMA通道４*／

    r0=0X26000；

    dm(II4)=r0； ／*设置起始地址*／

    r0=1024；

    dm(C4)=r0； ／*设置读数次数*／

    r0=1；

    dm(IM4)=r0； ／*设置地址增加值*／

    r0=0Xb00;

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

    ／*第二片*／

    r0=0X3f000；

    dm(LCOM)=r0； ／*把Link口设为2x clock*／

    r0=0xfff7f；

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

    应DMA通道４*／

    r0=0x23000；

    dm(II4)=r0； ／*设置起始地址*／

    r0=1024；

    dm(C4)=r0； ／*设置读数次数*／

    r0=1；

    dm(IM4)=r0； ／*设置地址增加值*／

    r0=0x300；

    dm(LCTL)=r0； ／*enable input DMA*／

    对于上面的两段程序，应分别加载到两片ADSP2106x中。需要说明的是：Link Buffer 2对应DMA通道４。如果把其他的Link Buffer与Link口５配对，则需设置与该Buffer对应的DMA通道。

    ADSP2106x中DMA操作功能强大，形式多样，除了本文所介绍的部分外，还有链式DMA、二维DMA等，因此要全部掌握并熟练应用是有一定难度的。通过对各种DMA的应用，可以使数据进出芯片变得更加流畅，也可以使其核心处理单元的运算能力发挥到极致