深入了解PSoC5：DMA使用基礎(chǔ)

引言

PSoC5是Cypress可編程片上系統(tǒng)PSoC(Programmable System on Chip)家族中功能最強(qiáng)大的一個(gè)產(chǎn)品系列;采用工作頻率高達(dá) 80 MHz 的 32 位三段流水線式 ARM Cortex-M3 處理器構(gòu)建， 提供業(yè)界廣泛采用的0.5V至5.5V寬電壓范圍和低至200nA的休眠電流。此外，PSoC5片內(nèi)提供了極其豐富和業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的高性能可編程模擬和數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)，允許將任何模擬或數(shù)字信號(hào)(包括可編程時(shí)鐘)分配到任何通用I/O引腳，這為使用者提供了真正的“系統(tǒng)級(jí)”可編程能力。DMA(直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)：Direct Memory Access)就是其中一種功能強(qiáng)大的外設(shè)模塊。

本文以PSoC5平臺(tái)為例，介紹了DMA的主要原理，配置過(guò)程方法及具體的典型工程設(shè)計(jì)。

PSoC5外設(shè)架構(gòu)及DMA簡(jiǎn)介

PSoC5芯片內(nèi)部集成了豐富的模擬與數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)，如圖1所示，由外設(shè)集線器PHUB(Peripheral Hub)負(fù)責(zé)將不同的外設(shè)子系統(tǒng)之間以及外設(shè)子系統(tǒng)與CPU連接起來(lái)。PHUB內(nèi)的連接數(shù)據(jù)總線共有8條，稱(chēng)之為spoke， 有16位和32位兩種數(shù)據(jù)寬度。每個(gè)spoke都可以通過(guò)PHUB連接至不同的外設(shè)子系統(tǒng)或CPU。PHUB內(nèi)包含的DMAC(DMA控制器：DMA Controller)能夠使不同的外設(shè)子系統(tǒng)間通過(guò)spoke傳遞數(shù)據(jù)而不需要CPU的介入，可以極大的節(jié)省CPU資源，提高處理速度。

PSoC片內(nèi)通過(guò)PHUB的數(shù)據(jù)傳遞可以分為兩種：CPU與外設(shè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞;不同的外設(shè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，這類(lèi)傳遞可以在DMAC的控制下直接通過(guò)spoke進(jìn)行，不需要CPU的主動(dòng)介入。因此，CPU與DMAC可以在同一時(shí)刻訪問(wèn)不同的spoke;如果二者在同一時(shí)刻訪問(wèn)同一spoke，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)spoke仲裁(arbitration)。

DMAC主要通過(guò)24個(gè)DMA通道(Channel)和128個(gè)任務(wù)描述符TD(Transaction Descriptor)來(lái)實(shí)現(xiàn)外設(shè)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)任務(wù)的設(shè)定與管理。

DMA通道：每個(gè)DMA通道定義一個(gè)DMA傳輸類(lèi)型，包括數(shù)據(jù)源和目的外設(shè)子系統(tǒng)的類(lèi)型及高16位地址，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)等。

任務(wù)描述符TD：在DMA通道配置定義的基礎(chǔ)上，TD進(jìn)一步定義了一個(gè)DMA傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)(或重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù))，傳輸過(guò)程中及結(jié)束時(shí)需要執(zhí)行的動(dòng)作。此外，每個(gè)TD配置中還定義了在本TD任務(wù)結(jié)束后指向的下一個(gè)TD的指針。

由上述定義不難看出，DMA通道配置主要在大的范圍內(nèi)限定了數(shù)據(jù)源和目的外設(shè)子系統(tǒng)的類(lèi)型，以及所傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。DMA傳輸任務(wù)的具體細(xì)節(jié)主要由任務(wù)描述符TD進(jìn)行配置。每個(gè)DMA通道可以有多個(gè)TD，構(gòu)成一個(gè)TD鏈表來(lái)完成比較復(fù)雜的多數(shù)據(jù)DMA傳輸。

圖2所示為一個(gè)比較簡(jiǎn)單的DMA通道與其TD鏈表的示意圖。對(duì)于一個(gè)特定的任務(wù)，如何確定需要幾個(gè)DMA通道，以及每個(gè)DMA通道需要幾個(gè)任務(wù)描述符TD將在下面的章節(jié)中進(jìn)行論述。

DMA配置原理與方法說(shuō)明

由上一節(jié)簡(jiǎn)介可知，外設(shè)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的DMA傳輸任務(wù)配置應(yīng)該分為DMA通道配置與任務(wù)描述符TD配置兩個(gè)方面。

① DMA通道配置

圖3-1所示為DMA通道配置的主要內(nèi)容和參數(shù)。

Burst Count(1 to 255)：DMA傳輸一次數(shù)據(jù)稱(chēng)為一個(gè)burst。此參數(shù)定義了DMA每次待傳輸數(shù)據(jù)的寬度，單位為字節(jié)。傳輸開(kāi)始后，DMA應(yīng)將此參數(shù)定義的所有字節(jié)全部傳輸完，才能釋放相應(yīng)的spoke.

Request Per Burst (0 or 1)： 若一個(gè)DMA任務(wù)需要傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量超過(guò)一個(gè)burst時(shí)，應(yīng)分成多次發(fā)送。當(dāng)此參數(shù)設(shè)為0時(shí)，所有后續(xù)的burst將會(huì)在其前一個(gè)burst完成后自動(dòng)進(jìn)行而不再需要單獨(dú)的request請(qǐng)求。因此只有在第一個(gè)burst開(kāi)始時(shí)需要唯一的request請(qǐng)求。當(dāng)此參數(shù)設(shè)為1時(shí)，每個(gè)burst傳輸時(shí)都需要獨(dú)立的request請(qǐng)求。

First TD of Channel： 每個(gè)DMA通道擁有1個(gè)TD或由多個(gè)TD構(gòu)成的鏈表，此參數(shù)為指向單個(gè)TD，或多TD鏈表首個(gè)TD的指針。

Preserve TD (0 or 1)： 在一個(gè)request請(qǐng)求完成后，下一個(gè)request請(qǐng)求開(kāi)始時(shí)可能會(huì)需要其TD的一些信息。此參數(shù)為0不保存TD的實(shí)時(shí)信息，為1則在每request請(qǐng)求結(jié)束后保存TD的所有中間狀態(tài)及配置信息。

② 任務(wù)描述符TD配置

圖3-2所示為任務(wù)描述符TD配置的主要內(nèi)容和參數(shù)。

Transfer Count(1 to 4095)：此參數(shù)定義了一個(gè)DMA任務(wù)需要傳輸數(shù)據(jù)包含的總字節(jié)數(shù)。若待傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)的寬度(由 Burst Count定義)為N，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)(即burst數(shù)量)為M，那么Transfer Count參數(shù)應(yīng)當(dāng)為M * N。

TD Property：此參數(shù)包含多個(gè)配置項(xiàng)，如下所示：

Increment Source Address: 在每個(gè)burst傳輸結(jié)束后遞增源數(shù)據(jù)地址。

Increment Destination Address: 在每個(gè)burst傳輸結(jié)束后遞增目的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳輸任務(wù)的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)地址超過(guò)1個(gè)時(shí)，這兩個(gè)命令項(xiàng)必須被配置。

Swap Enable：此選項(xiàng)只針對(duì)PSoC3應(yīng)用。由于PSoC3的外設(shè)寄存器采用小端(Little Endian)格式，而PSoC3應(yīng)用程序的Keil編譯器對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)的變量采用大端(Big Endian)格式。因此當(dāng)DMA在外設(shè)寄存器與存儲(chǔ)器間傳輸2字節(jié)或4字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，DMA必須交換傳輸數(shù)據(jù)的高低字節(jié)。

Swap Size：當(dāng)Swap Enable配置為1時(shí)，此選項(xiàng)有效。0表示2字節(jié)，1表示4字節(jié)。

Auto Executive Next TD：當(dāng)DMA通道含有多個(gè)TD時(shí)，須配置此選項(xiàng)。1表示當(dāng)前TD完成后，指針指向的下一個(gè)TD自動(dòng)執(zhí)行;0表示當(dāng)前TD完成后，下一個(gè)TD的執(zhí)行需要另外的獨(dú)立request請(qǐng)求。

DMA Completion Event：當(dāng)DMA通道含有多個(gè)TD時(shí)，須配置此選項(xiàng)。1表示當(dāng)前TD完成后，指針指向的下一個(gè)TD自動(dòng)執(zhí)行;0表示當(dāng)前TD完成后，下一個(gè)TD的執(zhí)行需要另外的獨(dú)立request請(qǐng)求。

Next TD：指向TD鏈表中相鄰的后續(xù)TD的指針。

③ 具體配置方法

DMA通道與任務(wù)描述符TD的各項(xiàng)參數(shù)配置共有兩種方法，一是通過(guò)菜單欄的DMA向?qū)?Wizard)提供的選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，另一種是通過(guò)Creator提供的應(yīng)用程序接口API函數(shù)來(lái)進(jìn)行配置。關(guān)于PSoC Creator集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用與編程方法，請(qǐng)參考本文的參考文獻(xiàn)和登陸Cypress網(wǎng)站。

1)DMA向?qū)渲梅?/p>

首先將DMA器件( component)放入Creator 2.2 的原理圖界面中，并完成系統(tǒng)原理圖后，點(diǎn)擊菜單欄 Tools -> DMA Wizard，打開(kāi)配置對(duì)話框，點(diǎn)擊 Next，出現(xiàn)如圖4所示界面。在此界面中可以配置數(shù)據(jù)源及目的地址等參數(shù);

點(diǎn)擊 Next后出現(xiàn)圖5所示界面，根據(jù)工程實(shí)際要求進(jìn)一步配置其余參數(shù)，然后點(diǎn)擊Next，進(jìn)入圖6所示界面，自動(dòng)生成DMA配置代碼，將此代碼拷入主程序中即可。

2)API配置法

在Creator中完成原理圖繪制后，首先編譯原理圖，DMA器件將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)API源程序文件，DmaInstanceName_dma.c和DmaInstanceName_dma.h。其中的c文件中包含有DMA初始化與配置的函數(shù)。配置過(guò)程主要步驟如下：

1、啟動(dòng)(Start)DMA通道

Channel_Handle = DMA_DmaInitialize(DMA_BYTES_PER_BURST, DMA_REQUEST_PER_BURST, HI16(Source Address), HI16(Destination Address))

2、創(chuàng)建一個(gè) TD實(shí)例

TD_Handle = CyDmaTdAllocate();

3、設(shè)定 TD傳輸配置項(xiàng)

CyDmaTdSetConfiguration(TD_Handle,Transfer_Count,Next_TD,TD_Property);

4、設(shè)定TD傳輸數(shù)據(jù)源及目的地址

CyDmaTdSetAddress(TD_Handle, LO16(Source Address), LO16(Destination Address))

5、設(shè)定DMA通道的初始TD指針

CyDmaChSetInitialTd(Channel_Handle , TD_Handle)

6、允許(Enable)DMA通道

CyDmaChEnable(Channel_Handle, preserve_TD)

PSoC5平臺(tái)上的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的DMA傳輸實(shí)例

對(duì)于參數(shù)緩慢變化且有干擾伴隨的ADC應(yīng)用來(lái)說(shuō)，并不需要在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期完成后實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。比較好的解決方法是將一段時(shí)間內(nèi)的采樣結(jié)果自動(dòng)存放在某個(gè)地方，然后再由CPU一次性讀取，這樣既可以節(jié)約CPU的資源，又可以進(jìn)行一些濾波處理。DMA正好可以扮演自動(dòng)將一組采樣結(jié)果存放到RAM中的角色，示意圖如圖6所示。

ADC轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生EOC信號(hào)時(shí)，DMA將2字節(jié)的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果從ADC寄存器 搬至片內(nèi)RAM的緩沖數(shù)組中，達(dá)到設(shè)定的數(shù)量時(shí)，DMA產(chǎn)生一個(gè)nrq完成信號(hào)觸發(fā)中斷，由CPU讀取并處理這一組信號(hào)。相應(yīng)的Creator原理圖如圖7所示。

可以采用上述兩種DMA配置方法的任意一種。圖8為DMA通道配置示意。由于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，所以Burst Count為2;本實(shí)例設(shè)定為一次按鍵DMA搬運(yùn)一個(gè)數(shù)據(jù)后即關(guān)閉，故Request Per Burst 為1;而后續(xù)burst傳輸必須和當(dāng)前burst連續(xù)，所以Preserve TD為1。

圖9為任務(wù)描述符TD配置示意。Transfer Count設(shè)定為N × Burst Count;在每個(gè)burst完成后，需要Increment Destination Address;且傳輸數(shù)量達(dá)到Transfer Count后，將會(huì)Generate DMA done event來(lái)觸發(fā)中斷程序。

值得注意的是，在這里只需要1個(gè)TD就可以完成任務(wù)了。如果DMA需要將ADC結(jié)果搬入RAM中兩個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)，如圖10所示意，由于兩個(gè)緩沖區(qū)間的距離超過(guò)一個(gè)Burst Count，所以需要兩個(gè)TD來(lái)完成任務(wù)。而這兩個(gè)緩沖區(qū)的地址高16位都是相同的，所以共享一個(gè)DMA通道就可以了。

小結(jié)

本文主要介紹了PSoC5片內(nèi)DMA的主要原理，配置過(guò)程與方法，以及如何使用DMA進(jìn)行具體的工程設(shè)計(jì)。采用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)直接傳輸與存儲(chǔ)，可以不占用CPU的處理時(shí)間，極大地提高PSoC5的處理速度和效率。DMA可以在數(shù)據(jù)通訊與大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，幫助用戶(hù)使用PSoC5設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔高效的產(chǎn)品。