基于ADSP-TS201S的二維DMA數(shù)據(jù)傳輸

摘要：針對高速信號處理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)钠款i問題，采用二維DMA方式進(jìn)行外設(shè)高速緩存到DSP內(nèi)核的數(shù)據(jù)塊實時傳輸。對二維DMA控制和狀態(tài)寄存器組進(jìn)行編程控制，結(jié)合FPGA與DSP鏈路接口設(shè)計，將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)塊作為一個數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行傳輸，使DSP在DMA中斷中獲得數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果證明，二維DMA傳輸方式可解決高速外設(shè)數(shù)據(jù)塊的連續(xù)傳輸和處理問題，保證整個系統(tǒng)并行信號處理流水線的順序執(zhí)行，是一種解決數(shù)據(jù)總線傳輸瓶頸問題的實用方法。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于某水聲測量系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：ADSP-TS201；二維DMA；LVDS；鏈路口

0 引言
    隨著數(shù)字濾波技術(shù)在水聲信號處理中的廣泛應(yīng)用，在降低系統(tǒng)硬件復(fù)雜度的同時，對數(shù)字信號處理的實時性也提出了更高要求。數(shù)字濾波器處理后的大量數(shù)據(jù)需要實時高效地傳輸給DSP內(nèi)核，以便進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號處理；為了提高工作效率，信號處理系統(tǒng)通常會采用流水線操作。另外為了不打斷系統(tǒng)的運(yùn)行流水線，數(shù)據(jù)傳輸不僅要滿足實時高速傳輸?shù)囊?，還需具備DSP內(nèi)核并行處理的排列順序要求。
    DMA(Direct Memory Access)是在處理器內(nèi)核不干預(yù)情況下的后臺高速數(shù)據(jù)傳送機(jī)制，不占用DSP內(nèi)核的處理時間，特別是二維DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠?qū)?shù)據(jù)塊按要求順序傳輸。本文以ADSP-TS201S(以下簡稱TS201)為例，針對二維DMA數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行探討。

1 TS201的DMA傳輸
1．1 DMA簡介與分析
    TS201內(nèi)核工作頻率高達(dá)600 MHz，是一款性能極高的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專對復(fù)雜信號處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其Tiger SHA RC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠同時執(zhí)行4條指令，24個16位定點(diǎn)運(yùn)算和6個浮點(diǎn)運(yùn)算。支持14個DMA通道，可完成片內(nèi)存儲器、片外存儲器、存儲器映射外設(shè)、鏈路口、主機(jī)處理器和其他處理器(如FPGA)之間的低開銷高速傳輸。TS201片內(nèi)的DMA控制器允許將數(shù)據(jù)傳輸作為一個后臺任務(wù)執(zhí)行，從而將處理器核釋放出來，進(jìn)行其他數(shù)字信號處理操作。在復(fù)雜信號處理系統(tǒng)中，特別是需要大量數(shù)據(jù)傳輸和搬移的操作系統(tǒng)，采用DMA方式可以釋放處理器內(nèi)核，提高工作效率。
1．2 TS201的鏈路口DMA
    TS210具有適合多DSP并行處理的突破性體系結(jié)構(gòu)，除了多條獨(dú)立的128位寬數(shù)據(jù)總線外，具有4位寬的4個雙向LVDS(Low Voltage Differ ential Signaling)鏈路口是其組成并行系統(tǒng)的關(guān)鍵。鏈路口可以直接由處理器核控制，也可以由DMA控制器控制，每個鏈路口的接收和發(fā)送都有指定的DMA通道。通過編程控制可以將鏈路口設(shè)置成4位并行或者1位的方式進(jìn)行傳輸。
    TS201鏈路口通過寫TX緩沖寄存器完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，讀取RX緩沖寄存器數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的接收。只要TX移位寄存器為空，所有寫TX緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)都會拷貝到移位寄存器。當(dāng)RX移位寄存器為空，或者RX緩沖器有多余的空間可以從RX移位寄存器接收完整的4個字的接收數(shù)據(jù)時，接收方才允許數(shù)據(jù)輸入。RX緩沖器為空，有4個字的接收已經(jīng)完成，才會從移位寄存器讀入數(shù)據(jù)。如果RX緩沖器已滿，會將數(shù)據(jù)拷貝至RX臨時接收緩沖器內(nèi)，一直保持到RX緩沖器為空。片上每個鏈路口都與2個DMA通道相連，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。2個DMA通道都與內(nèi)部寄存器、外部寄存器及其他鏈路口緩沖器相連接。鏈路口收發(fā)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

1．3 二維DMA
    TS201可以尋址和傳輸1個二維存儲陣列，二維DMA將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)塊作為1個數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行傳輸，這對制定矩陣操作的DSP算法十分有用。存儲器中的二維存儲塊可以通過鏈路口向外發(fā)送，由鏈路口接收的數(shù)據(jù)塊也可以按照二維存儲陣列的形式保存到存儲器中。接收端存儲器矩陣的大小可以與發(fā)送端的不同，只要兩邊所含的總字節(jié)數(shù)相等即可。二維DMA的優(yōu)點(diǎn)如下：
    (1)允許任意一個矩陣區(qū)域的數(shù)據(jù)交叉存取，以一種比較直觀的處理順序?qū)?shù)據(jù)放入存儲區(qū)。例如，將同一個A／D經(jīng)過不同數(shù)字濾波器后的并行數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)塊的形式進(jìn)行搬移，自動存入各自的高速緩存區(qū)或片內(nèi)存儲區(qū)。
    (2)能夠?qū)崟r高效地完成數(shù)據(jù)塊存取。DMA控制器和DSP內(nèi)核同時存取向不同存儲塊的操作均可在一個時鐘周期內(nèi)完成。例如，當(dāng)DSP內(nèi)核對一子存儲塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時，DMA可以向另一個存儲塊存放數(shù)據(jù)。在某些條件下，甚至可以同時訪問同一個存儲塊。
    (3)允許有選擇的數(shù)據(jù)傳輸，即只選擇需要的輸入數(shù)據(jù)塊而不是全部數(shù)據(jù)。例如，系統(tǒng)在處理不同通道的數(shù)據(jù)時，可以在二維DMA傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時更改與選擇。
    (4)鏈?zhǔn)蕉SDMA可以在DSP內(nèi)核不干預(yù)的情況下進(jìn)行無限制的多次DMA傳輸，并且每次操作的屬性和I／O都可以不同。
    (5)允許在一個激活的二維DMA鏈中插入高優(yōu)先級的鏈?zhǔn)紻MA，能實時實現(xiàn)DMA鏈的更新，繼續(xù)二維DMA數(shù)據(jù)傳輸。
    假設(shè)某系統(tǒng)中存在4種并行數(shù)據(jù)(如并行A／D采集數(shù)據(jù))的二維DMA傳輸，通過乒乓緩存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存，其數(shù)據(jù)塊二維傳輸過程如圖2所示。

    圖2中的Data0…Data3表示連續(xù)產(chǎn)生的4路并行數(shù)據(jù)，Data00…Data0n表示Data0的n個數(shù)據(jù)塊。左側(cè)表示為原始輸入數(shù)據(jù)，例如A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波器后的4路并行數(shù)據(jù)。中間表示為高速緩存區(qū)內(nèi)部的一維排列數(shù)據(jù)，右邊表示經(jīng)過二維DMA鏈路口傳輸后的二維數(shù)據(jù)塊排列。從圖中可以看出，二維DMA傳輸將原來不適合DSP流水線操作的數(shù)據(jù)，實時高效地傳輸?shù)紻SP內(nèi)部，并將數(shù)據(jù)塊按照流水線要求順序排列存儲。
    TS201的二維DMA控制和狀態(tài)寄存器組，包括DMA控制寄存器、DMA狀態(tài)寄存器、清除寄存器和傳輸控制寄存器等。通過對寄存器組編程可以允許相應(yīng)DMA產(chǎn)生中斷，整塊數(shù)據(jù)傳輸完畢后，DMA將產(chǎn)生中斷。中斷發(fā)生在計數(shù)寄存器減至0，而且是最后一個數(shù)據(jù)單元傳輸后。每個DMA控制塊都有自身的中斷，DMA中斷會鎖存在ILAT寄存器中，并由IMASK寄存器打開。但需要注意的是，DMA中的計數(shù)器必須是減到零，向計數(shù)器寄存器寫零并不會產(chǎn)生DMA中斷。
    DMA傳輸控制塊寄存器是一個128位的四字組寄存器，含有DMA塊傳輸所需的控制信息。在DMA發(fā)送時，4個字包含了原數(shù)據(jù)的地址、將要發(fā)送的字?jǐn)?shù)量、地址增量和控制位。在DMA接收時，4個字包含了目的地址、將要接收的字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)量、地址增量和控制位，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中，DI寄存器是一個32位的DMA索引寄存器，它包括了將要發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)源地址或者目的地址，既可以指向內(nèi)部寄存器和外部寄存器，也可以指向鏈路口。DX寄存器包含一個16位的汁數(shù)值和一個16位的修改量，計數(shù)值保存在高16位，修改量保存在低16位。如果使能了二維DMA，則該寄存器保存的只是X方向的計數(shù)值和修改量。計數(shù)值和修改量均以32位字為單位。DY寄存器和DX寄存器結(jié)合使用，該寄存器保存了Y方向上的16位修改量和16位計數(shù)值。如果只是進(jìn)行一維的DMA傳輸，就不需要設(shè)置該寄存器。DP寄存器包含了DMA傳輸?shù)乃锌刂菩畔ⅰ?2位到31位包含了所有控制信息，0位到21位包含了鏈?zhǔn)叫畔ⅰ?br />     一般情況下啟動二維DMA的步驟如下：
    (1)保存TCB DI寄存器中的當(dāng)前地址，啟動一個DMA存儲器周期。
    (2)在該周期內(nèi)，將TCB DX增量寄存器中的X修改量與TCB DI寄存器中的當(dāng)前地址相加。
    (3)TCB DX計數(shù)寄存器內(nèi)容減1，若TCB DX計數(shù)寄存器值為零，則執(zhí)行第4步。
    (4)重新加載TCB DX計數(shù)寄存器值。
    (5)DMA寄存器中Y維增量加到TCB DI寄存器中的當(dāng)前地址。
    (6)TCB DX計數(shù)寄存器內(nèi)容減1。
    (7)若TCB DX計數(shù)寄存器值等于零，則DMA傳輸結(jié)束，在再次設(shè)置TCB前，需禁止它。

2 二維DMA應(yīng)用
2．1 硬件設(shè)計
    水聲信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜性和連續(xù)性要求信號處理系統(tǒng)具有較高的實時處理能力，所以設(shè)計時采用多片TS201來構(gòu)成并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。各DSP之間僅通過鏈路口無縫連接，片間連線少，降低了PCB布線難度和層數(shù)，節(jié)約了制板成本。此外，數(shù)據(jù)傳輸采用鏈路口的二維DMA方式，并不占用DSP內(nèi)核的運(yùn)算時間，可以提高處理板的實時性能，保證系統(tǒng)流水線操作的順利執(zhí)行。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。

    模擬輸入端采用2片18位的高速A／D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每一片A／D的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過FPGA中的4個FIR濾波器，產(chǎn)生的8路并行數(shù)據(jù)通過鏈路口二維DMA傳送給DSP組，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號處理。具體數(shù)據(jù)傳輸框圖見圖5所示。

    其中，①，②，…，⑧表示LVDS鏈路口數(shù)據(jù)傳輸順序；lal表示AD1數(shù)據(jù)經(jīng)過FIRa濾波器后的低1 KB數(shù)據(jù)，lah表示AD1數(shù)據(jù)經(jīng)過FIRa濾波器后的高1 KB數(shù)據(jù)。濾波后的A／D數(shù)據(jù)進(jìn)入乒乓緩存，最后通過鏈路口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP內(nèi)部。這里要求，在下一個數(shù)據(jù)塊采樣結(jié)束之前，需要完成上一個數(shù)據(jù)塊的傳輸、濾波、相關(guān)及功率譜分析等一系列較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。由于AD1，AD2是同步采樣的，經(jīng)過數(shù)字濾波器的數(shù)據(jù)通過LVDS鏈路口順序傳輸，為了減少數(shù)據(jù)塊調(diào)整和挑選的時間，這里采用鏈路口的二維DMA傳輸方式，可以快捷地將A／D采集的數(shù)據(jù)塊按照流水順序?qū)懭隓SP內(nèi)部存儲區(qū)。
2．2 軟件設(shè)計
    以圖4中所示的FPGA與DSP0的L3鏈路口的二維DMA數(shù)據(jù)傳輸為例，假設(shè)數(shù)據(jù)塊大小設(shè)定為1 024點(diǎn)，其鏈路口數(shù)據(jù)排列順序如圖6所示。

    上標(biāo)表示DSP0內(nèi)部存儲區(qū)內(nèi)的偏移地址，每次DMA中斷傳輸4×1 024個數(shù)據(jù)，即每次傳輸4行1 024列大小的數(shù)據(jù)，8次DMA中斷即可獲得一個時間片內(nèi)的2個A／D采集數(shù)據(jù)經(jīng)過4個FIR濾波器后的全部數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)塊按照DSP0的流水線順序排列。
    DSP0軟件需要完成L3鏈路口的初始配置和接受中斷函數(shù)的設(shè)計，首先進(jìn)行DSP系統(tǒng)時鐘和UART及FIR濾波器系統(tǒng)的初始設(shè)置，然后進(jìn)行二維DMA寄存器控制和內(nèi)存塊的分配，然后開啟硬件A／D采集，等待二維DMA中斷，進(jìn)入中斷后獲得最終數(shù)據(jù)。軟件流程見圖7所示。

    二維DMA中斷處理代碼如下：
   
   
    其中的L3r_data為數(shù)據(jù)存儲區(qū)的首地址。

3 結(jié)語
    本文介紹了TS201的二維DMA傳輸，結(jié)合實例說明了鏈路口二維DMA設(shè)置及應(yīng)用方法，給出軟件設(shè)置流程圖及關(guān)鍵代碼。實踐證明，二維DMA傳輸能夠保證大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時又解決了多處理器之間共用總線所產(chǎn)生的I／O瓶頸問題，增強(qiáng)了多處理器系統(tǒng)的并行處理能力，提高了系統(tǒng)流水線運(yùn)行效率。