基于DSP的DMA控制技術概述

TMS320C2XX是美國TI公司推出的一種低價格、高性能的16位定點運算數(shù)字信號處理器(DSP),它的性價比極高,目前已成為高檔單片機的理想替代品,在通信、語音處理、軍事、儀器儀表、圖像處理等領域得到了廣泛的應用。在以TMS320C2XX為核心的數(shù)字化語言學習系統(tǒng)中,為了滿足系統(tǒng)的實時性要求,并且提高系統(tǒng)的音質(zhì)和負載能力,聲卡與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送已經(jīng)不能采用程序查詢控制方式,因此我們考慮采用直接存儲器訪問(DMA)控制。直接存儲器訪問控制是指數(shù)據(jù)傳送時不需要CPU的介入,I/O設備和存儲器直接交換信息。DMA方式的數(shù)據(jù)傳送與程序查詢方式的數(shù)據(jù)傳送相比,具有數(shù)據(jù)傳送速度高、I/O響應時間短、CPU額外開銷小的明顯優(yōu)點。本文根據(jù)課題需要,通過分析TMS320C2XX使用保持(HOLD)操作的直接存儲器訪問(DMA)和DMA控制器8237-5的工作原理,解決了DSP芯片TMS320F206與DMA控制器8237-5的軟、硬件接口問題,實現(xiàn)了DMA 在數(shù)字化語言學習系統(tǒng)中的應用。

1 TMS320C2XX使用HOLD操作的直接存儲器訪問

TMS320C2XX的HOLD操作允許對外部程序、數(shù)據(jù)以及I/O空間進行直接存儲器訪問。該過程由/HOLD和/HOLDA兩個信號控制。

(1)/HOLD。外部設備可以把該引腳驅動到低電平從而請求對外部總線的控制。如果HOLD/INT1中斷線被允許,那么將觸發(fā)中斷。

(2)/HOLDA。在響應/HOLD中斷時,軟件邏輯可以使處理器發(fā)出/HOLD應答信號,表示它將放棄對其外部總線的控制。根據(jù) /HOLDA,外部地址信號(A15～A0)、數(shù)據(jù)信號(D15～D0)以及存儲器控制信號(/PS,/DS,/BR,/STRB,R/W,/RD, /WE)被置為高阻狀態(tài)。

在我們的設計中,HOLD/INT1中斷服務子程序只用于HOLD操作以便控制DMA傳送,因此DSP的中斷控制寄存器(ICR)中的方式 (MODE)位置為0。此時,中斷線INT1對下降沿和上升沿二者都敏感。當CPU檢測到下降沿時,它完成正在執(zhí)行的當前指令,然后迫使程序控制轉到中斷服務子程序。在成功的測試到MODE=0之后,此子程序執(zhí)行IDLE(空閑)指令。根據(jù)IDLE,/HOLDA變?yōu)橛行Ф獠靠偩€被置為高阻狀態(tài)。只有在檢測到HOLD/INT1引腳上的上升沿之后,CPU才退出IDLE狀態(tài),/HOLDA變?yōu)闊o效,并使外部總線返回到正常狀態(tài)。

HOLD操作的子程序將在本文最后結合具體示例中給出,應該注意的是:IDLE指令應當放在中斷服務子程序內(nèi)以便發(fā)出/HOLDA。同時要注意的是:中斷程序代碼禁止除HOLD/INT1之外的所有可屏蔽中斷,從而允許/HOLDA和總線的安全恢復。

2 DMA控制器8237-5的工作原理

8237-5是一個高性能的40引腳雙列直插式可編程DMA控制器芯片,可以方便地與DSP微處理器相連,實現(xiàn)外部設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)交換。其內(nèi)部結構和引腳信號可參閱參考文獻[2]。該控制器通過編程可提供多種類型的控制特性,以優(yōu)化系統(tǒng)性能,增大數(shù)據(jù)吞吐量,最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1.5MB/S。

DMA控制器實現(xiàn)DMA傳送的控制原理可用圖1的信息流示意圖表示?，F(xiàn)結合該圖將DMA控制原理操作順序說明如下:

①I/O設備準備好后,向DMA控制器(DMAC)發(fā)出DMA請求信號DMARQ。

②DMAC向CPU發(fā)出總線請求信號BUSRQ。

③按照預定的DMAC占用總線方式,CPU響應BUSRQ,向DMAC發(fā)出總線確認信號BUSAK。從這時起,CPU總線控制權交由DMAC接管,開始進入DMA有效周期,如圖1中陰影部分所示。

④DMAC接管總線后,先向I/O設備發(fā)出DMA請求的響應信號DACK,表示允許外設進行DMA傳送。然后按事先設置的初始地址和需傳送的字節(jié)數(shù),依次發(fā)送地址和讀寫命令,使RAM和I/O設備直接交換數(shù)據(jù),直至全部數(shù)據(jù)交換完畢。

⑤DMA傳送結束后,自動撤消向CPU的總線請求信號BUSRQ,從而使BUSAK和DACK相繼變?yōu)闊o效,CPU又重新控制總線,恢復正常工作。

3 DSP與DMA控制器8237-5的接口電路

通過上述分析可以知道,DSP與8237-5的接口關鍵是要解決DSP的/HOLD、/HOLDA信號與8237-5的總線保持請求輸出信號 HRQ(即BUSRQ)、總線保持響應輸入信號HLDA(即BUSAK)之間的聯(lián)系問題。圖2給出DSP與8237-5的接口電路。

1)數(shù)據(jù)線、地址線可以直接相連,8237-5僅使用8根數(shù)據(jù)線和地址線。

(2)由于8237-5要向DSP申請對外部總線的控制,所以DSP的/HOLD信號決定于HRQ,而二者的有效電平正好是反相關系;另一方面,當DSP在合適程序代碼的協(xié)助下使/HOLDA有效,從而對/HOLD有效作出響應時,它就應該通知DMAC可以獲得總線控制權,那么可以將 /HOLDA反相后發(fā)給8237-5的HLDA，從而使得該信號變高成為有效,8237-5得以接管總線。因此HLDA、/HOLD信號線的譯碼邏輯關系如下:

HLDA=/HOLDA

/HOLD=HRQ

一次DMA操作的時序關系如圖3所示。

可見,當8237-5任一通道的DREQ被置為有效電平且相應通道的屏蔽位被清除時,就使HRQ信號變?yōu)楦唠娖?從而使DSP的/HOLD變低,表示有外部設備請求對外部總線的控制。隨即DSP發(fā)出/HOLDA來響應/HOLD,8237-5的HLDA變高,取得總線控制權,并產(chǎn)生相應的 DMA響應信號DACK以通知外設。完成DMA周期后,總線又回到正常狀態(tài)。

4 軟件編程

實現(xiàn)DMA控制方式的軟件編程主要包括DMA控制器8237-5的初始化、DSP的HOLD操作以及外設初始化相關設置等三部分。根據(jù)所實現(xiàn)的具體功能不同,各部分的一些細節(jié)可能有所區(qū)別。

下面給出DMA控制方式在以DSP為核心的語言學習系統(tǒng)中的一個具體應用。它可以實現(xiàn)DMA方式的采樣和回放,用于兩個人之間的全雙工會話功能。所用外設是聲卡。由于要同時進行采樣和回放,所以8237-5需要使用兩個DMA通道。

4.1 8237-5的初始化

8237-5初始化的一般內(nèi)容可參閱參考文獻[2],關鍵在于方式寄存器和命令寄存器的規(guī)定。根據(jù)全雙工會話功能的具體要求,本例程的方式寄存器和命令寄存器初始化如下:

splk #0049h，60h ;方式寄存器,通道1,讀傳送,

out 60h，dma_mode_res 地址增,單字節(jié)傳送，禁止自動預置。

splk #0047h，60h ;方式寄存器,通道3,寫傳送,

out 60h，dma_mode_res 地址增,單字節(jié)傳送，禁止自動預置。

splk #0000h，60h ;命令寄存器,禁止存儲器

out 60h，dma_command_res 到存儲器傳送,禁止通道0地址保持,允許芯片工作,正常時序,固定優(yōu)先級,滯寫入選擇,DREQ高電平有效,DACK低電平有效。

4.2 聲卡初始化中的相關設置

聲卡一般默認DMA0=1為回放通道、DMA1=3為采樣通道,這在其PNP初始化中規(guī)定。I9寄存器用于禁止聲卡并行傳送方式,啟動DMA方式:

splk #0049h，60h ;select I9 ，MCE=1。

out 60h，534h

splk #001bh，60h ;全校準,禁止PIO方式,允許DMA采樣和回放。

out 60h，535h

聲卡還有幾個與DMA操作有關的寄存器:I14、I15、I30、I31。I14、I15用于設定DMA回放的計數(shù)基值,I30、I31則用于設定DMA采樣的計數(shù)基值。它可以產(chǎn)生一個中斷以方便用戶做相應處理。

4.3 DSP的HOLD操作中斷服務子程序

inpt1: in dsp_icr，icr ;讀 DSP 中斷控制寄存器。

bit dsp_icr，11 ;測試MODE位,判斷是否是HOLD 操作。

bcnd skip_int1，tc ;如果MODE=1,則退出中斷服務子程序。

/以下幾句完成DMA操作/

ready:

lacl imr ;保護中斷屏蔽寄存器。

splk #0001h，imr ;屏蔽除HOLD/INT1之外的所有可屏蔽中斷。

idle ;進入HOLD操作。發(fā)出/HOLDA,外部總線被置為高阻狀態(tài),等待HOLD/INT1引腳上的上升沿。

splk #1，ifr ;HOLD操作已完成(即完成一次DMA傳送)。清HOLD/INT1中斷標志防止再次進入HOLD方式。

sacl imr ;恢復中斷屏蔽寄存器內(nèi)容。

/針對全雙工會話功能的必要處理/

int1_one_speech1:

in temp0，dma_state_res ;讀8237與DMA狀態(tài)寄存器判斷是哪個通道的DMA,從而保證DMA采樣與回放交替進行。

bit temp0，14

bcnd unmask3，tc

bit temp0，12

bcnd unmask1，tc

b skip_int1

unmask3:

splk #0007h，60h ;屏蔽采樣DMA。

out 60h，000fh

b skip_int1

unmask1:

splk #000dh，60h ;屏蔽回放 DMA 。

out 60h，000fh

skip_int1:

clrc INTM

ret

DMA控制方式在DSP中的成功運用解決了系統(tǒng)中存儲器與外設之間數(shù)據(jù)傳送的速度問題,大大減輕了CPU的負擔,實現(xiàn)了DSP對聲卡DMA方式的錄音與回放、立體聲及全雙工操作,從而可以方便地實現(xiàn)全數(shù)字化語言學習系統(tǒng)的各項功能。