Crossbar的多通道DMA控制器設計

　　1 簡介

　　在DMA控制器加入仲裁模塊，對多個傳輸請求進行排序，通過存儲器配置模式減少CPU 的配置時間和中斷次數(shù)，但還不能保證對多任務傳輸?shù)膶拵枨?；也有把傳輸任務分為實時任務和非實時任務的，按實時優(yōu)先級實現(xiàn)系統(tǒng)的實時傳輸，但是仍需系統(tǒng)對任務進行優(yōu)先級排序，占用系統(tǒng)處理時間；分別通過預存取和寫循環(huán)、加入重排列單元、鏈模式和雙緩沖器以及采用不同大小的緩存等方法提高 DMA 控制器的傳輸效率。但這些改進方法均只能保證 DMA 控制器在同一時間傳輸單一任務，為了實現(xiàn)系統(tǒng)多任務實時傳輸，本文擬引入Crossbar 交換結構，并設計相應的多通道傳輸 DMA控制器，保證系統(tǒng)多任務傳輸?shù)耐瑫r提高系統(tǒng)響應的實時性

　　為了具體介紹本多通道 DMA 控制器的設計方案，下面首先對基于 Crossbar 的多通道 DMA 控制器的工作原理進行詳細分析，接著具體說明各個模塊的設計實現(xiàn)，然后對設計進行驗證和分析比較實驗結果，并進行總結。

　　2 多通道DMA控制器

　　傳統(tǒng) DMA 控制器是采用共享總線方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程為：（1）首先設備向 DMAC 發(fā)出 DMA 請求。（2）DMAC 接到設備請求后，向 CPU 發(fā)出總線請求，請求接管系統(tǒng)總線。（3）CPU 在執(zhí)行完當前指令周期后，向 DMAC發(fā)出總線響應信號。（4）CPU 脫離對系統(tǒng)總線的控制，DMAC 接管控制系統(tǒng)總線。（5）DMAC 向設備發(fā)出應答信號。（6）DMAC 在存儲器與設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。（7）當設定的數(shù)據(jù)傳輸完后，DMAC 撤銷總線請求信號，同時脫離對總線的控制，CPU 檢測到總線請求信號變?yōu)闊o效后，撤銷總線響應信號，恢復對系統(tǒng)總線的控制，同時跳回到中斷前的狀態(tài)。

　　但對于如圖 1 所示的典型多媒體應用系統(tǒng)，內部有哈夫曼解碼模塊（Huffman Decoder）、圖像解碼模塊 （MPEG Decoder）、USB 模塊、SPI 模塊、SD 卡控制模（SDC）和數(shù)模轉換模塊（DAC）等，哈夫曼解碼模塊和圖像解碼模塊需要跟 USB 模塊、SD卡控制模塊或 SPI 模塊通信，即同時存在幾路數(shù)據(jù)傳輸并且傳輸數(shù)據(jù)的模塊是變化的，采用共享總線的 DMA 控制器無法同時處理多個通道任務，現(xiàn)有的多通道 DMA 控制器交換數(shù)據(jù)的設備只能是固定的，因而無法勝任這種系統(tǒng)需求。對于這類應用需要，本文引入了 Crossbar 互聯(lián)結構，用 Crossbar 總線來代替共享總線。Crossbar 被稱為交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣，不會因為帶寬資源不夠而產生阻塞 ［8］。圖 2 所示是全 Crossbar 總線拓撲結構的原理圖。由于全 Crossbar 總線所需連接線數(shù)量較多， 在實際中經常簡化為部分 Crossbar 總線拓撲結構， 即將不需要通信的模塊間的連接去掉，以節(jié)省面積。

　　Crossbar 的互聯(lián)結構實現(xiàn)在 MDMAC 的接口模塊中，作為 DMA 傳輸?shù)木植靠偩€，DMA 傳輸不再占用系統(tǒng)總線，因此可以和 CPU 并行工作。所有需要采用 DMA 式傳輸數(shù)據(jù)的設備都直接掛接在該接口模塊上，而由于這些設備也需要同系統(tǒng)總線通信，所以每個設備需要附加一個多路選擇單元，以選擇來自系統(tǒng)總線的信號或是來自 MDMAC 的信號。MDMAC 的接口模塊實現(xiàn)了全 Crossbar 的互聯(lián)結構，其和設備的連接及系統(tǒng)總線的連接方式如圖 3所示，處于圖中左邊的任意設備可以和圖中右邊的任意設備進行 DMA 方式的數(shù)據(jù)傳輸。由于可以根據(jù)具體的應用來設計接口模塊中設備端口的個數(shù)，所以可以保證系統(tǒng)中所有的 DMA 傳輸都能并行進行，而不需要像傳統(tǒng) DMA 控制器，要通過一定的仲裁算法來對多個傳輸請求進行排序，使得傳輸時間不能保證，并且仲裁模塊會引入較大的延時，使得傳輸響應變慢。

　　3 設計與實現(xiàn)方案

　　根據(jù)上述多通道 DMA 控制器的基本原理，可以按如圖 4 結構來設計實現(xiàn)該多通道 DMA 控制器，其組成模塊可以分為 4 部分：寄存器模塊Registers， 控 制 模 塊 Controlunit， 地 址 產 生 模 塊Addressgen 和接口模塊 Interface。下面詳細介紹各模塊的具體設計與實現(xiàn)方案。

　　3.1 寄存器模塊

　　Registers 寄存器模塊集合了控制器的各種寄存器，包括全局寄存器和各個通道的專用寄存器，控制器和系統(tǒng)微處理器的交互主要靠這些寄存器來完成。全局寄存器對所有的通道都有效，包括配置寄取，不需要 CPU 的參與，直到整個描述符鏈表執(zhí)行完再產生中斷通知 CPU，而傳統(tǒng)的 CPU 配置模式每執(zhí)行完一個任務都要產生中斷，讓 CPU 對下一個任務進行配置。每次傳輸?shù)陌l(fā)起可以有兩種模式，一種是軟件使能方式，即只要將寄存器的 start 位置 1 就開始脫離 Idle 狀態(tài)；另一種是硬件握手方式，寄存器的 start 位置 1 后，還需要有傳輸請求的模塊發(fā)來申請并等待 MDMAC 確認后傳輸才開始。軟件使能方式適用于數(shù)據(jù)復制操作，CPU 將某一地址區(qū)間的數(shù)據(jù)轉移到另一地址區(qū)間。硬件握手方式是傳統(tǒng)的DMA 工作方式。