ay: block;">直接存儲(chǔ)器存取(DMA)控制器是一種在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的獨(dú)特外設(shè),可以將其視為一種能夠通過(guò)一組專用總線將內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器與每個(gè)具有DMA能力的外設(shè)連接起來(lái)的控制器。它之所以屬于外設(shè),是因?yàn)樗窃谔幚砥鞯木幊炭刂葡聛?lái)執(zhí)行傳輸?shù)摹Ｖ档米⒁獾氖?通常只有數(shù)據(jù)流量較大(kBps或者更高)的外設(shè)才需要支持DMA能力,這些應(yīng)用方面典型的例子包括視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò)接口。
一般而言,DMA控制器將包括一條地址總線、一條數(shù)據(jù)總線和控制寄存器。高效率的DMA控制器將具有訪問(wèn)其所需要的任意資源的能力,而無(wú)須處理器本身的介入,它必須能產(chǎn)生中斷。最后,它必須能在控制器內(nèi)部計(jì)算出地址。
一個(gè)處理器可以包含多個(gè)DMA控制器。每個(gè)控制器有多個(gè)DMA通道,以及多條直接與存儲(chǔ)器站(memory bank)和外設(shè)連接的總線,如圖1所示。在很多高性能處理器中集成了兩種類型的DMA控制器。第一類通常稱為“系統(tǒng)DMA控制器”,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何資源(外設(shè)和存儲(chǔ)器)的訪問(wèn),對(duì)于這種類型的控制器來(lái)說(shuō),信號(hào)周期數(shù)是以系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)來(lái)計(jì)數(shù)的,以ADI的Blackfin處理器為例,頻率最高可達(dá)133MHz。第二類稱為內(nèi)部存儲(chǔ)器DMA控制器(IMDMA),專門用于內(nèi)部存儲(chǔ)器所處位置之間的相互存取操作。因?yàn)榇嫒《及l(fā)生在內(nèi)部(L1-L1、L1-L2,或者L2-L2),周期數(shù)的計(jì)數(shù)則以內(nèi)核時(shí)鐘(CCLK)為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行,該時(shí)鐘的速度可以超過(guò)600MHz。
每個(gè)DMA控制器有一組FIFO,起到DMA子系統(tǒng)和外設(shè)或存儲(chǔ)器之間的緩沖器的作用。對(duì)于MemDMA(Memory DMA)來(lái)說(shuō),傳輸?shù)脑炊撕湍繕?biāo)端都有一組FIFO存在。當(dāng)資源緊張而不能完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?則FIFO可以提供數(shù)據(jù)的暫存區(qū),從而提高性能。
因?yàn)槟阃ǔ?huì)在代碼初始化過(guò)程中對(duì)DMA控制器進(jìn)行配置,內(nèi)核就只需要在數(shù)據(jù)傳輸完成后對(duì)中斷做出響應(yīng)即可。你可以對(duì)DMA控制進(jìn)行編程,讓其與內(nèi)核并行地移動(dòng)數(shù)據(jù),而同時(shí)讓內(nèi)核執(zhí)行其基本的處理任務(wù)—那些應(yīng)該讓它專注完成的工作。
圖1:系統(tǒng)和存儲(chǔ)器DMA架構(gòu)。
在一個(gè)優(yōu)化的應(yīng)用中,內(nèi)核永遠(yuǎn)不用參與任何數(shù)據(jù)的移動(dòng),而僅僅對(duì)L1存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。于是,內(nèi)核不需要等待數(shù)據(jù)的到來(lái),因?yàn)镈MA引擎會(huì)在內(nèi)核準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)之前將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。圖2給出了處理器和DMA控制器間的交互關(guān)系。由處理器完成的操作步驟包括:建立傳輸,啟用中斷,生成中斷時(shí)執(zhí)行代碼。返回到處理器的中斷輸入可以用來(lái)指示“數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好,可進(jìn)行處理”。
圖2:DMA控制器。
數(shù)據(jù)除了往來(lái)外設(shè)之外,還需要從一個(gè)存儲(chǔ)器空間轉(zhuǎn)移到另一個(gè)空間中。例如,視頻源可以從一個(gè)視頻端口直接流入L3存儲(chǔ)器,因?yàn)楣ぷ骶彌_區(qū)規(guī)模太大,無(wú)法放入到存儲(chǔ)器中。我們并不希望讓處理器在每次需要執(zhí)行計(jì)算時(shí)都從外部存儲(chǔ)讀取像素信息,因此為了提高存取的效率,可以用一個(gè)存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的DMA(MemDMA)來(lái)將像素轉(zhuǎn)移到L1或者L2存儲(chǔ)器中。
到目前為之,我們還僅專注于數(shù)據(jù)的移動(dòng),但是DMA的傳送能力并不總是用來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)。我們可以用代碼覆蓋的辦法來(lái)提高性能,將DMA的控制器配置為在執(zhí)行前把代碼送入L1指令存儲(chǔ)器。代碼往往存儲(chǔ)于較大的外部存儲(chǔ)器中,而根據(jù)需要有選擇性的送入L1。
DMA控制器的編程
讓我們考察一下在定義DMA活動(dòng)的過(guò)程中可以有哪些選項(xiàng)。我們將從最簡(jiǎn)單的模型開(kāi)始,并在此基礎(chǔ)上過(guò)渡到更為靈活的模型,這反過(guò)來(lái)增加了設(shè)置的復(fù)雜度。
對(duì)于任何類型的DMA傳輸,我們都需要規(guī)定數(shù)據(jù)的起始源和目標(biāo)地址。對(duì)于外設(shè)DMA的情況來(lái)說(shuō),外設(shè)的FIFO可以作為數(shù)據(jù)源或者目標(biāo)端。當(dāng)外設(shè)作為源端時(shí),某個(gè)存儲(chǔ)器的位置(內(nèi)部或外部)則成為目標(biāo)端地址。當(dāng)外設(shè)作為目標(biāo)端,存儲(chǔ)的位置(內(nèi)部或者外部)則成為源端地址。
在最簡(jiǎn)單的MemDMA情況中,我們需要告訴DMA控制器源端地址、目標(biāo)端地址和待傳送的字的個(gè)數(shù)。采用外設(shè)DMA的情況下,我們規(guī)定數(shù)據(jù)的源端或者目標(biāo)端,具體則取決于傳輸?shù)姆较颉Ｃ看蝹鬏數(shù)淖值拇笮】梢允?、16或者12位。這種類型的事務(wù)代表了簡(jiǎn)單的1維(“1D”)統(tǒng)一“跨度”(unity stride)的傳輸。作為這一傳輸機(jī)制的一部分,DMA控制器連續(xù)跟蹤不斷增加的源端和目標(biāo)端地址。采用這種傳輸方式時(shí),8位的傳輸產(chǎn)生1字節(jié)的地址增量,而16位傳輸產(chǎn)生的增量為2字節(jié),32位傳輸則產(chǎn)生4字節(jié)的增量。上面的參數(shù)是基本的1D DMA傳輸?shù)脑O(shè)置參數(shù)。
我們只需要改變數(shù)據(jù)傳輸每次的數(shù)據(jù)大小,就可以簡(jiǎn)單地增加一維DMA的靈活性。例如,采用非單一大小的傳輸方式時(shí),我們以傳輸數(shù)據(jù)塊的大小的倍數(shù)來(lái)作為地址增量。也就是說(shuō),若規(guī)定32位的傳輸和4個(gè)采樣的跨度,則每次傳輸結(jié)束后,地址的增量為16字節(jié)(4個(gè)32位字)。
雖然1D DMA得到了廣泛的應(yīng)用,但用處更大的則是2維(2D) DMA,特別是在視頻應(yīng)用中。2D功能是我們所討論的1D DMA的情形的一種直接擴(kuò)展。除了XCOUNT和XMODIFY值之外,我們還需對(duì)對(duì)應(yīng)的YCOUNT和YMODIFY值進(jìn)行編程設(shè)定。2D DMA可以簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)嵌套的循環(huán),即內(nèi)循環(huán)由XCOUNT和XMODIFY來(lái)規(guī)定,外循環(huán)由YCOUNT和YMODIFY規(guī)定。一個(gè)1D DMA可以被簡(jiǎn)單的視為2D傳輸?shù)摹皟?nèi)循環(huán)”,如下形式:
for y = 1 to YCOUNT /* 2D的外循環(huán)*/
for x = 1 to XCOUNT /* 1D的內(nèi)循環(huán) */
{
/* 傳輸循環(huán)主體轉(zhuǎn)移到這里 */
}
XMODIFY決定了XCOUNT每次減少時(shí)的DMA控制器的跨度值,而YMODIFY則決定了YCOUNT每次減少時(shí)對(duì)應(yīng)的跨度值。與XCOUNT和XMODIFY一樣,YOUNT可以以傳輸數(shù)量來(lái)定義,而YMODIFY則以字節(jié)數(shù)來(lái)定義。值得注意的是,YMODIFY可以為負(fù)值,這會(huì)讓DMA控制器回轉(zhuǎn)到緩沖器的起始點(diǎn)。
對(duì)于外設(shè)DMA來(lái)說(shuō),傳輸?shù)摹按鎯?chǔ)器端”可以是1D或2D。不過(guò),在外設(shè)端,傳輸始終是1D的。唯一的限制是在DMA每一端(源端和目標(biāo)端)傳輸?shù)淖止?jié)總數(shù)必須相同。例如,如果我們從3個(gè)10字節(jié)的緩沖器向外設(shè)饋入數(shù)據(jù)。例如,如果我們從3個(gè)10字節(jié)的緩沖器向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù),外設(shè)必須被設(shè)定為傳送30字節(jié),具體方式則可以是任何可能的、所支持的傳輸寬度和傳輸計(jì)數(shù)值的組合。
MemDMA提供的靈活度則要更高一些。例如,如果我們可以建立一個(gè)1D-2D傳輸、一個(gè)1D-2D傳輸、1個(gè)2D-1D傳輸,且可自然而然建立一個(gè)2D-2D傳輸,唯一的限制條件是,在DMA傳輸模塊的兩端所傳送的字節(jié)總數(shù)必須相等。
DMA的設(shè)置
目前有兩類主要的DMA傳輸結(jié)構(gòu):寄存器模式和描述符模式。無(wú)論屬于哪一類DMA,表1所描述的幾類信息都會(huì)在DMA控制器中出現(xiàn)。當(dāng)DMA以寄存器模式工作時(shí),DMA控制器只是簡(jiǎn)單地利用寄存器中所存儲(chǔ)的參數(shù)值。在描述符模式中,DMA控制器在存儲(chǔ)器中查找自己的配置參數(shù)。
表1:DMA寄存器
基于寄存器的DMA
在基于寄存器的DMA內(nèi)部,處理器直接對(duì)DMA控制寄存器進(jìn)行編程,來(lái)啟動(dòng)傳輸。基于寄存器的DMA提供了最佳的DMA控制器性能,因?yàn)榧拇嫫鞑⒉恍枰粩嗟貜拇鎯?chǔ)器中的描述符上載入數(shù)據(jù),而內(nèi)核也不需要保持描述符。
基于寄存器的DMA由兩種子模式組成:自動(dòng)緩沖(Autobuffer)模式和停止模式。在自動(dòng)緩沖DMA中,當(dāng)一個(gè)傳輸塊傳輸完畢,控制寄存器就自動(dòng)重新載入其最初的設(shè)定值,同一個(gè)DMA進(jìn)程重新啟動(dòng),開(kāi)銷為零。
正如我們?cè)趫D3中所看到的那樣,如果將一個(gè)自動(dòng)緩沖DMA設(shè)定為從外設(shè)傳輸一定數(shù)量的字到L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的緩沖器上,則DMA控制器將會(huì)在最后一個(gè)字傳輸完成的時(shí)刻就迅速重新載入初始的參數(shù)。這構(gòu)成了一個(gè)“循環(huán)緩沖器”,因?yàn)楫?dāng)一個(gè)量值被寫入到緩沖器的最后一個(gè)位置上時(shí),下一個(gè)值將被寫入到緩沖器的第一個(gè)位置上。
圖3:用DMA實(shí)現(xiàn)循環(huán)緩沖器。
自動(dòng)緩沖DMA特別適合于對(duì)性能敏感的、存在持續(xù)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用。DMA控制器可以在獨(dú)立于處理器其他活動(dòng)的情況下讀入數(shù)據(jù)流,然后在每次傳輸結(jié)束時(shí),向內(nèi)核發(fā)出中斷。雖然有可能以恰當(dāng)?shù)姆绞阶柚棺詣?dòng)緩沖模式,但如果DMA進(jìn)程需要定期啟動(dòng)和停止時(shí),采用這種工作方式就沒(méi)有什么意義。
停止模式的工作方式與自動(dòng)緩沖DMA類似,區(qū)別在于各寄存器在DMA結(jié)束后不會(huì)重新載入,因此整個(gè)DMA傳輸只發(fā)生一次。停止模式對(duì)于基于某種事件的一次性傳輸來(lái)說(shuō)十分有用。例如,非定期地將數(shù)據(jù)塊從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。當(dāng)你需要對(duì)事件進(jìn)行同步時(shí),這種模式也非常有用。例如,如果一個(gè)任務(wù)必須在下一次傳輸前完成的話,則停止模式可以確保各事件發(fā)生的先后順序。此外,停止模式對(duì)于緩沖器的初始化來(lái)說(shuō)非常有用。
描述符模型
基于描述符(descriptor)的DMA要求在存儲(chǔ)器中存入一組參數(shù),以啟動(dòng)DMA的系列操作。該描述符所包含的參數(shù)與那些通常通過(guò)編程寫入DMA控制寄存器組的所有參數(shù)相同。不過(guò),描述符還可以容許多個(gè)DMA操作序列串在一起。在基于描述符的DMA操作中,我們可以對(duì)一個(gè)DMA通道進(jìn)行編程,在當(dāng)前的操作序列完成后,自動(dòng)設(shè)置并啟動(dòng)另一次DMA傳輸。基于描述符的方式為管理系統(tǒng)中的DMA傳輸提供了最大的靈活性。
ADI 的Blackfin處理器上有兩種主要的描述符方式—描述符陣列和描述符列表,這兩種操作方式所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是在靈活性和性能之間實(shí)現(xiàn)一種折中平衡。
在描述符陣列模式下,描述符駐留在連續(xù)的存儲(chǔ)器位置上。DMA控制器依然從存儲(chǔ)器取用描述符,但是因?yàn)橄乱粋€(gè)描述符緊跟著當(dāng)前的描述符,說(shuō)明到何處去尋找下一個(gè)描述符(以及它們相應(yīng)的描述符取用)的兩個(gè)數(shù)據(jù)字就并不必要。因?yàn)槊枋龇⒉话@一“下一描述符”指針項(xiàng),DMA控制器希望一組描述符在存儲(chǔ)器相互挨在一起,如同陣列一般。
當(dāng)各描述符在存儲(chǔ)器中的分布位置并非“背對(duì)背”時(shí),可以使用一個(gè)描述符列表。實(shí)際上這里涉及多種子模式,從而再一次實(shí)現(xiàn)了性能和靈活性之間的折中平衡。在“小描述符”模型中,描述符包括了一個(gè)單16位的域,用來(lái)給出“下一描述符指針”域的低位部分；高位部分則通過(guò)寄存器來(lái)獨(dú)立編程設(shè)定,并且不發(fā)生改變。當(dāng)然,這將描述符限制在存儲(chǔ)器中一個(gè)特定的64K(=216)頁(yè)面上。當(dāng)描述符的位置需要跨越這一邊界時(shí),也可以提供一個(gè)“大”模型,它可以為“下一描述符指針”項(xiàng)提供32位的位置。
無(wú)論采用何種描述符模式,描述符的量值數(shù)越多,則描述符取用的次數(shù)就越多。這也就是為何Blackfin處理器定義了一個(gè)“柔性描述符方式”的原因,該模式可以修改描述符的長(zhǎng)度,使之僅僅包括特定傳輸所需要的數(shù)據(jù)。例如,如果不需要2D DMA,YMODIFY和 YCOUNT 寄存器就不需要成為描述符數(shù)據(jù)塊的一部分。
描述符管理
管理描述符列表的最佳方法是什么？其實(shí),這個(gè)問(wèn)題的答案需要根據(jù)應(yīng)用來(lái)定,但要明白存在何種替代方法很重要。
我們將描述的第一種選擇,其工作方式非常類似于一個(gè)自動(dòng)緩沖DMA。它需要設(shè)定多種描述符,并將其串連到一起,正如圖4a所示的那樣。“串連”一詞意味著一個(gè)描述符指向下一個(gè)描述符,描述符的載入是自動(dòng)的。為了使鏈條完整,最后一個(gè)描述符反向指向第一個(gè)描述符,于是整個(gè)流程就重復(fù)下去。使用這種技術(shù)而不是自動(dòng)緩沖的一個(gè)理由就是,這些描述符可以保證傳輸?shù)囊?guī)模和方向上具有更大的靈活性。
圖4:由處理器進(jìn)行調(diào)控的DMA描述符:(a)鏈接的描述符列表；(b)“節(jié)流調(diào)節(jié)式”的描述符管理。
第二個(gè)選擇則是由處理器來(lái)管理描述符列表。回想一下,描述符實(shí)際上是存儲(chǔ)器中的一個(gè)結(jié)構(gòu),每個(gè)描述符包含了一個(gè)配置字。每個(gè)配置字包含了“使能”位,其作用是在傳輸開(kāi)始時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果我們需要讓處理器在做好準(zhǔn)備時(shí)去啟動(dòng)每次具體的傳輸,我們就可以事先設(shè)定好所有的描述符,但把“使能”位清零。當(dāng)處理器確定啟動(dòng)描述符的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來(lái)時(shí),它只需簡(jiǎn)單地更新存儲(chǔ)器中的描述符,然后寫入DMA寄存器中,以讓處于停止?fàn)顟B(tài)的通道啟動(dòng)起來(lái)。圖4b示出了這一流程的一個(gè)例子。
這種類型的傳輸什么時(shí)候有用呢？請(qǐng)考慮一個(gè)需要將輸入流與輸出流實(shí)現(xiàn)同步的多媒體應(yīng)用。例如,我們接收視頻采樣,將其傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器的速率可能會(huì)不同于將該視頻輸出顯示的速度。在實(shí)際系統(tǒng)中,即使你試圖讓流以恰好相同的時(shí)鐘傳輸,也會(huì)發(fā)生這種情況。在同步成問(wèn)題的情況下,處理器可以調(diào)整對(duì)應(yīng)于輸出緩沖器的DMA描述符。在下一個(gè)描述符啟用時(shí),處理器可以通過(guò)調(diào)整目前的輸出描述符來(lái)實(shí)現(xiàn)流的同步,具體方式是利用一種信號(hào)量機(jī)制(semaphore mechanism)來(lái)確保每次只有一個(gè)項(xiàng)訪問(wèn)共享資源。
在處理器之間使用內(nèi)部的DMA描述符鏈或者基于DMA的流時(shí),一種有用的做法是在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊的末尾添加一個(gè)額外的字,用以幫助標(biāo)識(shí)正被發(fā)送的包,包括關(guān)于應(yīng)該如何處理數(shù)據(jù)的信息和時(shí)間戳。圖4b中虛線所劃出的區(qū)域則示出了這種方案。
大多數(shù)成熟的應(yīng)用都有以軟件形式實(shí)現(xiàn)的“DMA 管理器”功能。這可以作為操作系統(tǒng)或者實(shí)時(shí)內(nèi)核的一部分來(lái)提供,但它也可以在沒(méi)有這兩者的條件下運(yùn)行。在Blackfin處理器上,該功能可以作為VisualDSP++工具包的‘System Services’的一部分提供。這一管理功能可以讓你通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的API來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù),而不必手工去配置每一個(gè)控制寄存器。
基本上,一個(gè)應(yīng)用將DMA描述符的要求提交給DMA隊(duì)列管理器,其責(zé)任是處理每一次請(qǐng)求。請(qǐng)求的處理則是按照它們被應(yīng)用軟件接收到的順序來(lái)進(jìn)行的。指向“回調(diào)”函數(shù)的地址指針往往也是系統(tǒng)的一部分。該函數(shù)可以完成在數(shù)據(jù)緩沖準(zhǔn)備好時(shí)你希望處理器來(lái)完成的工作,無(wú)需讓內(nèi)核停留在高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程的執(zhí)行中。總的來(lái)說(shuō),DMA管理器可以簡(jiǎn)化編程模型,因?yàn)樗鼘?duì)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行了抽象。
管理采用中斷的描述符隊(duì)列可以有兩種通用的方法:第一種基于在每次描述符完結(jié)時(shí)所發(fā)出的中斷,只有當(dāng)你能確保每個(gè)中斷事件將單獨(dú)得到服務(wù)、無(wú)中斷溢出時(shí),才使用這種方法；第二種方法是僅僅在由一個(gè)工作塊的最后一個(gè)描述符所規(guī)定的工作傳輸結(jié)束時(shí)發(fā)出中斷。工作塊是一個(gè)或者多個(gè)描述符的集合。
為了保持描述符隊(duì)列的同步,非中斷型軟件就必須維持一個(gè)添加到隊(duì)列中的描述符數(shù)量的計(jì)數(shù),而中斷處理程序則維持一個(gè)對(duì)已完結(jié)的、從隊(duì)列中除去的描述符的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)次數(shù)僅僅在DMA完成對(duì)所有的描述符的處理后暫停時(shí)才會(huì)相等。
本文小結(jié)
本文中,我們討論了DMA數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu):基于寄存器的和基于描述符的,以及何時(shí)使用其中的某種結(jié)構(gòu)。在下一期中,我們將分析某些先進(jìn)的DMA功能特色,這些功能將協(xié)助數(shù)據(jù)在多媒體系統(tǒng)中有效地移動(dòng)。
作者:
David Katz
Rick Gentile
美國(guó)模擬器件公司
