基于AMBA总线的DMA控制器IP核设计

　　引言

　　随着微电子技术的飞速发展，集成电路规模按照摩尔定律（微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番）飞速提高，片上系统（SystemOnChip，简称SOC）技术成为国际超大规模集成电路的发展趋势。在SOC系统设计中，为了能够快速、稳定的形成产品，IP核积累和复用技术逐渐成为各个芯片厂商的首选。在这样的背景下，IP复用技术成为了集成电路设计的一个重要分支，很多设计厂商在购买其它公司的IP核的同时，也越来越重视本公司的IP核设计和积累。

　　DMA控制器是常见的总线设备之一，很多厂商都有自己的DMA控制器IP核。比如嵌入式处理器的龙头ARM公司就有自己的DMA控制器解决方案提供给客户，另外像Freescale，Fujitsu等芯片制造厂商都有自己的解决方案。本文通过介绍一种基于ARM总线之一的AHB总线的DMA控制器的IP核设计，简述了IP核设计的流程和需要重点注意的地方。

　　DMA控制器

　　功能描述

　　一般而言，DMA控制器的功能与结构是由本单位特定的系统结构决定的。但是作为IP而言，DMA控制器又要有其一般性。DMA是指外部设备直接对计算机存储器进行读写操作的I/O方式。这种方式下数据的读写无需CPU执行指令，也不经过CPU内部寄存器，而是利用系统的数据总线，由外设直接对存储器写入或读出，从而达到极高的传输速率。现在DMA也可以在内存之间或是外设之间直接进行数据操作。DMA技术的重要性在于，利用它进行数据存取时不需要CPU进行干预，可提高系统执行应用程序的效率。利用DMA传送数据的另一个好处是数据直接在源地址和目的地址之间传送，不需要是中间媒介。

　　通用的DMA控制器应具有一下功能：

　　1.编程设定DMA的传输模式及其所访问内存的地址区域。

　　2.屏蔽或接受外设或软件的DMA请求。当有多个设备同时请求时，还要进行优先级排队，首先响应最高级的请求。

　　3.向CPU或总线仲裁设备提出总线请求。

　　4.接收总线响应信号，接管总线控制。

　　5.在DMA控制器的管理下实现外设和存储器、外设和外设或存储器之间的数据直接传输。

　　6.在传输过程中进行地址修改和传输量计数。当要求的数据传送完后，撤销总线请求，交还总线控制权。

　　总而言之，DMA控制器一方面可以接管总线，直接在I/O接口和存储器之间进行读写操作，即可以像CPU一样视为总线的主设备，这是DMA与其它外设最根本的区别;另一方面，作为一个I/O器件，其DMA控制功能正式通过初始化编程来设置的。当CPU对其写入或读出时，它又和其它的外设一样成为总线的从属器件。

　　而作为专用的DMA控制器又会有其特定的功能要求。比如对于AHB总线而言，需要支持Burst操作。另一方面，现在多数支持操作系统的嵌入式系统或计算机系统都使用虚拟内存技术。这一技术的使用使得在操作系统层面上看到内存地址与物理地址间并非一一映射，操作系统层面上连续的内存地址在真实的物理内存上并不一定连续。但是DMA控制器并不一定了解这一现象。为了解决这一问题并提高传输效率，多数在高级嵌入式系统中使用的DMA控制器支持分散/集合LLI（LogicLinkItem）技术。

　　设计指标本

　　DMA控制器的主要指标如下：

　　$16个DMA通道，其中6个为独立的软件通道，另10个为软硬件复用的通道。

　　$DMA读数据与写数据独立进行。

　　$各通道独立编程，独立初始化。

　　$支持软件复位。

　　$全面支持AHB总线协议。

　　$支持LLI技术。

　　总体设计

　　DMA控制器主要包括以下几个模块，其结构图如图1所示。

　

　　$APB接口模块：该部分主要实现APB总线读写协议，并通过ARM配置DMA控制器的寄存器。

　　$控制寄存器模块：该部分通过APB总线进行配置，获得DMA控制器的控制信息。该模块主要由命令控制寄存器、状态寄存器和中断寄存器组成。

　　$DMA控制状态机模块：本模块是DMA控制器的核心部分，负责发起和中止每一次DMA传输，同时负责每次DMA传输过程中的状态转换。

　　$通道模块：该模块包含了16个通道，其中10个是软、硬件复用的，另外6个是软件专用的。前者除了有常规的寄存器组外，还要负责检测硬件的DMA传输请求;而后者则没有这部分功能，但后者要支持LLI功能。常规的通道寄存器组由各个通道的源地址、目的地址、传输长度以及通道控制寄存器等组成。

　　$优先级控制模块：本模块有状态寄存器和请求寄存器。ARM通过编程确定各个通道的优先级顺序。当有多个DMA请求同时出现的时候，通过此模块确定哪个请求优先被响应。

　　$AHB总线接口模块：本模块负责实现AHB总线读写协议。

　　工作原理及流程

　　作为DMA控制器有其特殊性，主要体现在它既是总线的从设备，又是总线的主设备。因此，DMA控制器有两个主要的状态——空闲态与工作态。当DMA控制器处于空闲态时，它就相当于一个总线的从设备，受到ARM的管理与控制。ARM通过编程配置DMA控制器的寄存器。