DMA Part 2

内存直接存取——基本原理、结构与应用（四辑系列文章之二）By David Katz and Rick Gentile, Analog Devices, Inc.上一辑文章中，我们引入了内存直接存储（DMA）背后的基本知识——人们为什么需要它，它采用何种构造和控制方式。

这次，我们将专注于DMA传输的分类，以及与建立这些会话相关的构造DMA的结构目前有两类主要的DMA传输结构。

寄存器模式和描述符模式。

无论属于哪一类DMA，表1所描述的几类信息都会在DMA控制器中出现。

当DMA以寄存器模式工作时，DMA控制器只是简单地利用寄存器中所存储的参数值。

在描述符模式中，DMA控制器在内存中查找自己的配置参数。

表1：DMA寄存器基于寄存器的DMA在基于寄存器的DMA内部，处理器直接对DMA控制寄存器进行编程，来启动传输。

基于寄存器的DMA提供了最佳的DMA控制器性能，因为寄存器并不需要不断地从内存的描述符上载入数据，而内核也不需要保持一个描述符。

基于寄存器的DMA包括两种子模式：“自动缓冲模式”和“停止模式”。

在自动缓冲DMA中，当一个传输模块传输完毕，控制寄存器就自动重新载入，恢复其最初的设定值，同一个DMA处理器重新启动，开销为零。

正如我们在图1中所看到的那样，如果将一个自动缓冲DMA设定为从外设传输一定数量的字到L1数据内存的缓冲器上，则DMA控制器将会在最后一个字的传输完成的时刻就迅速重新载入初始的参数。

这构成了一个“循环缓冲”，因为当一个量值被写入到缓冲器的最后一个位置上时，下一个量值将被写入到缓冲器的第一个位置上。

Figure 1: Implementing a circular buffer with Autobuffer DMA图1：用DMA实现循环缓冲器图中：Start—起点，End－终点，Circular Buffer——循环缓冲器，Address Increments——地址增量，Reset Address——复位地址。

自动缓冲DMA特别适合于对性能敏感的、存在持续数据流的应用。

DMA控制器可以在独立于处理器其他活动的情况下读入数据流，然后在每次传输结束时，向内核发出中断。

虽然有可能以非突然的方式阻止自动缓冲模式，但如果DMA处理器需要定期启动和停止时，这种工作方式的采用就没有什么实际意义。

让我们先考察一下一个Autobuffer方面的例子。

图2 双缓冲图中：Count——计数，Memory Buffers——内存缓冲，Peripheral fills one buffer —外设将一个缓冲器充满。

Interrupt——中断，Process first 512 bytes of buffer处理前512个字节的缓冲数据，Processor works on other buffer——处理器对其他缓冲器进行处理，Interrupt——中断，Process second 512 bytes of buffer——处理另外的512byte的缓冲数据，Registers reload and DMA starts over again——寄存器重新停止模式的工作方式与自动缓冲DMA的类似，区别在于各寄存器在DMA结束后不会重新载入，因此整个DMA传输只发生一次。

停止模式对于基于某种事件的一次性传输来说十分有用——例如，非定期地将数据块从一个位置转移到另一个位置。

当你需要对事件进行同步化时，这种模式也非常有用。

例如，如果一个任务不得不在下一次传输前完成的话，则停止模式可以确保各事件发生的先后顺序。

此外，停止模式对于缓冲器的初始化来说非常有用。

描述符模型基于描述符的DMA要求在内存中存入一组参数，以启动DMA的系列操作。

该描述符所包含的参数与那些通常通过编程写入DMA控制寄存器组的所有参数相同。

不过，描述符还可以容许多个DMA操作流程步骤串序组合到一起。

在基于描述符的DMA操作中，我们可以对一个DMA通道进行编程，完成另一次DMA传输的自动设定，并在目前的操作序列完成后启动传输。

基于描述符的方式为管理系统中的DMA传输提供了最大的灵活性。

ADI 的Blackfin处理器上有两种主要的描述符方式——“描述符阵列”方案和“描述符列表”方法。

这两种操作方式所要实现的目标是在灵活性和性能之间实现一种折中平衡。

让我们考察一下这一点是如何做到的。

在描述符阵列模式下，描述符驻留在连续的内存位置上。

DMA控制任何从内存取出描述符，但是因为下一个描述符紧跟着当前的描述符，描述何处去寻找下一个描述符（以及它们相应取出来的描述符）的两个数据字就并非必不可少。

因为描述符并不包含这一“下一描述符”指针项，DMA控制器就会看到一组描述符鱼贯进入内存，如同阵列一般。

当各描述符在内存中的分布位置并非“背对背”时，可以使用一个描述符列表。

实际上这里涉及多种子模式，从而再一次实现了性能和灵活性之间的折中平衡。

在“小描述符”模型中，描述符包括了一个单16bit的域，用来给出“下一描述符指针”域的低位部分；高位部分则通过寄存器来独立编程设定，并不发生变化。

当然，这将描述符限制在内存中一个特定的64K（=216）页面上。

当描述符的位置需要跨越这一边界时，也可以提供一个“大”模型，它可以为“下一描述符指针”项提供32bit的位置。

无论采用何种描述符模式，描述符的量值数越多，则描述符取用的次数就越多。

这也就是为何Blackfin处理器定义了一个“柔性描述符方式”的原因，该模式可以修剪描述符的长度，使之仅仅包括特定传输所需要的数据，正如图3所示的那样。

例如，如果不需要2D DMA，YMODIFY和 YCOUNT 寄存器就不需要成为描述符数据块的一部分。

图3：DMA描述符方式图中：Descriptor Array Mode——描述符阵列模式，Descriptor List （Small Model）Mode——描述符列表（小模型）模式，Descriptor List（大模型）模式Descriptor Block——描述符模块描述符管理管理描述符列表的最佳方法是什么？其实，答案就是根据应用来定，但要明白存在何种替代方法。

我们将描述的第一种选择，其工作方式非常类似于一个自动缓冲DMA。

它需要设定多种描述符，并将其串连到一起，正如图4a所示的那样。

“串连”一词意味着一个描述符指向下一个描述符，这种载入是自动的。

为了使链条完整，最后一个描述符反向指向第一个描述符，于是整个流程就重复下去。

使用这种技术而不是自动缓冲的一个理由，就是这些描述符可以保证传输的规模和方向上具有更大的灵活性。

第二个选择则是由处理器自己动手来管理描述符列表。

回想一下，描述符实际上使内存中的一个结构，每个描述符包含了一个配置字。

每个配置字包含了包含了“Enable”位，其作用是在传输开始时进行调节。

如果我们需要让处理器在做好准备时去启动每次具体的传输，我们就可以事先设定好所有的描述符，但把“Enable”位清零。

当处理器确定启动描述符的时机已经到来时，它只需简单地更新内存中的描述符，然后写入DMA寄存器中，以便让处于停止状态的通道启动起来。

图4b示出了这一流程的一个例子。

图4：由处理器进行调控的DMA描述符，（a）连接的描述符列表；（b）“节流调节式”的描述符管理。

图中：Descriptor——描述符，Data——数据，Start——启动，Stop——停止，这种类型的传输什么时候有用？请考虑一个需要将输入流与输出流实现同步化的多媒体应用。

例如，我们接收视频采样、将其传输到内存的速率可能会不同于将该视频输出显示的速度。

在实际系统中，即使你试图让流以恰好相同的时钟率传输，也会发生这种情况。

在同步化成问题的情况下，处理器可以亲自来调整对应于输出缓冲器的DMA描述符。

在下一个描述符启用时，处理器可以通过调整目前的输出描述符来实现流的同步化，具体方式是利用一种信号量机制（semaphore mechanism）来确保每次只有一个项访问共享资源。

在处理器之间使用内部的DMA描述符链或者基于DMA的流时，一种有用的做法是在所传输的数据块的末尾添加一个额外的字，用以帮助标识正在发送的包，包括关于应该如何处理数据的信息和时间印记。

图4b中虚线所划出的区域则示出了这种方案。

大多数成熟的应用都有以软件形式实现的“DMA 管理器”功能。

这可以作为操作系统或者实时内核的一部分来提供，但它也可以在没有这两种环境的条件下运行。

在Blackfin处理器上，该功能可以作为VisualDSP＋＋工具包的System Services的一部分提供。

这一管理功能可以让你通过标准的API来转移数据，而不必手工去配置每一个控制寄存器。

基本上，一个应用将DMA描述符的要求提交给DMA队列管理器，其责任是处理每一次请求。

请求的处理则是按照它们被应用软件接收到的顺序来进行的。

指向“回呼”的地址指针往往也是系统的一部分。

该功能可以在准备好数据缓冲时开展你希望处理器来完成的工作，无需让内核停留在高优先级的中断服务例程的执行中。

总的来说，DMA管理器可以简化编程模型，因为它对数据的传输进行了筛选。

管理采用中断的描述符队列可以有两种通用的方法。

第一种基于在每次描述符完结时所发出的中断。

只有当你能确保每个中断事件将单独得到服务、无中断溢出时，再使用这种方法。

第二种方法是仅仅在由一个工作块的最后一个描述符所规定的工作传输结束时发出中断信号。

工作块是一个或者多个描述符的集合。

为了保持描述符队列的同步化，非中断型软件就必须维持一个对添加到队列中的描述符数量的计数，而中断处理器则维持一个对已完结的、从队列中除去的描述符的计数。

计数次数仅仅在DMA完成对所有的描述符的处理后暂停时才会相等。

在这篇文章中，我们讨论了DMA数据流的结构——基于寄存器的和基于描述符的——以及何时使用其中的某种结构。

下一次，我们将考察某些先进的DMA功能特色，这些功能将协助数据在多媒体系统中高速移动。