一種基于CPLD的DMA控制器IP核設(shè)計
1、前言
單片機(jī)以其高可靠性,高性能價格比,在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)家族的眾多成員中,MSC一51系列單片機(jī)占領(lǐng)了廣闊的市場,成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的主流。
但是由于8013硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的限制,當(dāng)需要高速率大批量數(shù)據(jù)傳送時,數(shù)據(jù)吞吐速率往往不能滿足設(shè)計要求。即使采用提升振蕩器頻率的辦法,結(jié)果仍不盡如人意,所以尋找一種新的數(shù)據(jù)傳輸方法顯得很有必要,這不僅使人想到通用計算機(jī)的DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
2、DMA簡介
DMA數(shù)據(jù)傳送是由DMA控制器完成的。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制,數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU,而直接在內(nèi)存和FO設(shè)備之間進(jìn)行。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號,修改地址,對傳送字的個數(shù)計數(shù),并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。
DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快。由于CPU不參與數(shù)據(jù)傳送操作,因此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中,沒有保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等等,也不是由軟件實(shí)現(xiàn),而是用硬件線路直接實(shí)現(xiàn)的。所以DMA方式能滿足高速FO設(shè)備的要求,也有利于CPU效率的發(fā)揮。
3、標(biāo)準(zhǔn)8031數(shù)據(jù)傳輸與DMA數(shù)據(jù)傳輸對比
MCS一15單片機(jī)讀寫外部數(shù)據(jù)存儲器的時序如圖1所示。
在圖(1)a的外部數(shù)據(jù)存儲器讀周期中,P2口輸出外部RAM單元的高八位地址,P0口分時傳送低八位地址及數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)刂锋i存信號ALE為高電平時,印口輸出的地址信息有效,A比的下降沿將此地址打人外部地址鎖存器,接著即口變?yōu)檩斎朔绞剑x信號RD有效,選通外部RAM,相應(yīng)存儲單元的內(nèi)容送到印口上,由CPU讀人累加器。
外部數(shù)據(jù)存儲器的寫周期波形如圖(1)b所示,其操作過程與讀周期類似。寫操作時,在A比下降為低電平以后,WR信號才有效,PO口上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)寫人相應(yīng)的RAM單元。
CPU把數(shù)據(jù)從存儲器傳輸?shù)紽O口,需要以下步驟:
·MovxA,@DPrR;從存儲器讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)(24個振蕩周期)
·MOVX@DPrR,A;將數(shù)據(jù)寫人到FO口(24個振蕩周期)
DMA控制器把數(shù)據(jù)從存儲器傳輸?shù)紽O設(shè)備稱為讀傳送,在這個周期里,產(chǎn)生存儲器地址,并輸出存儲器讀(MEMR)和10口寫(row)信號。其時序如圖2所示。
當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后,設(shè)備向DMA控制器發(fā)出DMA請求DREQ信號,DMA控制器接到請求后向CPU發(fā)出總線請求信號HRQ,CPU在現(xiàn)行的機(jī)器周期結(jié)束后,發(fā)出總線保持信號HLDA,于是DMA控制器就接管總線,向地址總線發(fā)出地址信號,給出存儲器讀和ro口寫的命令,就可把存儲器中的數(shù)據(jù)送到FO口上。然后修改地址指針,增或減數(shù)據(jù)寬度計數(shù)器,檢查傳送是否結(jié)束,若未結(jié)束則循環(huán)至整個數(shù)據(jù)傳送完。
整個數(shù)據(jù)傳送完后,DMA控制器撤銷總線請求信號HRQ,同時輸出傳送結(jié)束信號EOP。CPU接收到EOP信號后,在下一個周期就可以重新控制總線。
從以上對比分析可以看出,從存儲器往FO口傳送一字節(jié)數(shù)據(jù),使用標(biāo)準(zhǔn)8031至少需要48個振蕩周期,而用DMA控制器僅需2個振蕩周期,效率大大高于前者,尤其是在做塊傳送時,效果更為顯著。
4、用CPLD實(shí)現(xiàn)DMA傳輸在顯示屏掃描卡上的應(yīng)用
顯示屏掃描卡的功能是將存儲在RAM中的圖像數(shù)據(jù)按照預(yù)定的顯示方式進(jìn)行處理,再發(fā)送到比D顯示屏上。其中絕大部分時間,CPU的工作是將處理好的數(shù)據(jù)以很高的速率發(fā)送到LED顯示屏上,來保證良好的視覺效果。
考慮到系統(tǒng)的簡化、靈活、高集成度,這里選擇用CPLD實(shí)現(xiàn)CPU停機(jī)方式DMA讀傳輸功能來完成數(shù)據(jù)從存儲器到LED顯示屏的傳送工作。
整個數(shù)據(jù)傳輸工作分以下幾個步驟:①CPu準(zhǔn)備數(shù)據(jù);②CPU配置DMA控制器。例如數(shù)據(jù)傳送首地址,傳送字節(jié)數(shù);③CPU向DMA控制器提出DMA請求(DREQ)。由于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作是由CPU完成的,所以傳送請求也由CPU提出;④DMA接到請求后,向CPU提出總線請求(HRQ);⑤CPU釋放總線,同時向DMA發(fā)出總線保持信號(HLDA);⑥D(zhuǎn)MA接管總線,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
由于本系統(tǒng)中準(zhǔn)備數(shù)據(jù)是由CPU完成的,也就是說CPU完全清楚何時需要釋放總線進(jìn)行DMA傳送,所以可將步驟3、4省略,即DREQ和HRQ信號省略。其原理圖如圖3所示。
圖3中,CTRL為中心控制核,它按照設(shè)定的傳輸字節(jié)數(shù)產(chǎn)生地址計數(shù)脈沖CLK,讀信號MR(該信號經(jīng)742科驅(qū)動后成為存儲器讀和FO口寫信號),傳輸結(jié)束信號EOP。CTRL內(nèi)部定義了一個8位鎖存器和一個9位減法計數(shù)器。WIDTH為置數(shù)控制端,當(dāng)饑DTH為低電平時,數(shù)據(jù)總線上的傳送字節(jié)數(shù)送入CTRL中,WID儀為高電平時數(shù)據(jù)鎖存。EN為計數(shù)使能,為高時傳送字節(jié)數(shù)送人9位減法計數(shù)器的高8位中,減法計數(shù)器的最低位置0,同時CTRL將EOP腳(傳送結(jié)束信號)置高,EN變低后,減法計數(shù)器在時鐘XT下降沿作用下做減1計數(shù),計數(shù)值減到0時CTRL停止減計數(shù)并將EOP信號置低,通知CPU傳送結(jié)束。其控制時序如圖4所示。
cTRL的vHDL程序
BEGIN
cKL<=cnt(0);一地址計數(shù)脈沖輸出
MEMR<=NOTcnt(0);一RAM讀信號輸出
PROCESS(WIDTH)
BEGIN
FIiwDTH=0’THEN一置人傳送字節(jié)數(shù)
圖3中,COUNT16是16位加法計數(shù)器。DPH、DPL是地址高8位和低8位置數(shù)控制端,低電平有效。EN為計數(shù)使能,為低時,在由CTRL產(chǎn)生的脈沖作用下做加1計數(shù)。
平時CPU具有地址總線的控制權(quán),DMA控制器的地址線A15一AO、存儲器讀MEMR、FO口寫IOW輸出均為高阻。當(dāng)需要做DMA數(shù)據(jù)傳送時,首先CPu將傳送的數(shù)據(jù)寬度、被傳送數(shù)據(jù)在存儲器的首地址寫人DMA控制器,然后將HDLA置高,讓出地址總線控制權(quán)。DMA控制器檢測到HLDA變高后,cTRL按照預(yù)定的傳送數(shù)據(jù)寬度,輸出地址計數(shù)脈沖和數(shù)據(jù)存儲器讀信號MEMR,couN1T6在地址計數(shù)脈沖作用下,在首地址基礎(chǔ)上做加1計數(shù),輸出16位地址。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢,EOP輸出低電平,通知CPU數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。CPU通過查詢或中斷方式檢測到EOP的低電平信號后,將HLDA拉低,DMA控制器接到HDLA變低的信號后將EOP信號置高,釋放地址總線控制權(quán),結(jié)束整個DMA傳送過程。圖5是DMA控制器的仿真波形圖。
8031操作DMA控制器的5C1程序
void DMA(unsigned int address,unsignedcha
len){
WIDTH
ADDL
=len;/*設(shè)置傳送數(shù)據(jù)寬度*/
=(unsi卯edchar)address%256;/*設(shè)置傳送數(shù)據(jù)首地址*/
ADDH=(unsignedchar)address/256;
EN=0;/*啟動DMA傳送*/
while(IN功==1);/*等待傳輸結(jié)束*/
EN=1;
5、結(jié)束語
以上所闡述的只是DMA控制器的一種使用特例,真正的DMA控制器功能要更為強(qiáng)大,但對于顯示屏掃描卡來說,這些已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求了,并且使數(shù)據(jù)傳輸速率有了顯著的提高。