Crossbar的多通道DMA控制器设计

　　1 简介

　　在DMA控制器加入仲裁模块，对多个传输请求进行排序，通过存储器配置模式减少CPU 的配置时间和中断次数，但还不能保证对多任务传输的宽带需求；也有把传输任务分为实时任务和非实时任务的，按实时优先级实现系统的实时传输，但是仍需系统对任务进行优先级排序，占用系统处理时间；分别通过预存取和写循环、加入重排列单元、链模式和双缓冲器以及采用不同大小的缓存等方法提高 DMA 控制器的传输效率。但这些改进方法均只能保证 DMA 控制器在同一时间传输单一任务，为了实现系统多任务实时传输，本文拟引入Crossbar 交换结构，并设计相应的多通道传输 DMA控制器，保证系统多任务传输的同时提高系统响应的实时性

　　为了具体介绍本多通道 DMA 控制器的设计方案，下面首先对基于 Crossbar 的多通道 DMA 控制器的工作原理进行详细分析，接着具体说明各个模块的设计实现，然后对设计进行验证和分析比较实验结果，并进行总结。

　　2 多通道DMA控制器

　　传统 DMA 控制器是采用共享总线方式来实现数据传输的，系统实现数据传输的过程为：（1）首先设备向 DMAC 发出 DMA 请求。（2）DMAC 接到设备请求后，向 CPU 发出总线请求，请求接管系统总线。（3）CPU 在执行完当前指令周期后，向 DMAC发出总线响应信号。（4）CPU 脱离对系统总线的控制，DMAC 接管控制系统总线。（5）DMAC 向设备发出应答信号。（6）DMAC 在存储器与设备之间进行数据传输。（7）当设定的数据传输完后，DMAC 撤销总线请求信号，同时脱离对总线的控制，CPU 检测到总线请求信号变为无效后，撤销总线响应信号，恢复对系统总线的控制，同时跳回到中断前的状态。

　　但对于如图 1 所示的典型多媒体应用系统，内部有哈夫曼解码模块（Huffman Decoder）、图像解码模块 （MPEG Decoder）、USB 模块、SPI 模块、SD 卡控制模（SDC）和数模转换模块（DAC）等，哈夫曼解码模块和图像解码模块需要跟 USB 模块、SD卡控制模块或 SPI 模块通信，即同时存在几路数据传输并且传输数据的模块是变化的，采用共享总线的 DMA 控制器无法同时处理多个通道任务，现有的多通道 DMA 控制器交换数据的设备只能是固定的，因而无法胜任这种系统需求。对于这类应用需要，本文引入了 Crossbar 互联结构，用 Crossbar 总线来代替共享总线。Crossbar 被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵，不会因为带宽资源不够而产生阻塞 ［8］。图 2 所示是全 Crossbar 总线拓扑结构的原理图。由于全 Crossbar 总线所需连接线数量较多， 在实际中经常简化为部分 Crossbar 总线拓扑结构， 即将不需要通信的模块间的连接去掉，以节省面积。

　　Crossbar 的互联结构实现在 MDMAC 的接口模块中，作为 DMA 传输的局部总线，DMA 传输不再占用系统总线，因此可以和 CPU 并行工作。所有需要采用 DMA 式传输数据的设备都直接挂接在该接口模块上，而由于这些设备也需要同系统总线通信，所以每个设备需要附加一个多路选择单元，以选择来自系统总线的信号或是来自 MDMAC 的信号。MDMAC 的接口模块实现了全 Crossbar 的互联结构，其和设备的连接及系统总线的连接方式如图 3所示，处于图中左边的任意设备可以和图中右边的任意设备进行 DMA 方式的数据传输。由于可以根据具体的应用来设计接口模块中设备端口的个数，所以可以保证系统中所有的 DMA 传输都能并行进行，而不需要像传统 DMA 控制器，要通过一定的仲裁算法来对多个传输请求进行排序，使得传输时间不能保证，并且仲裁模块会引入较大的延时，使得传输响应变慢。

　　3 设计与实现方案

　　根据上述多通道 DMA 控制器的基本原理，可以按如图 4 结构来设计实现该多通道 DMA 控制器，其组成模块可以分为 4 部分：寄存器模块Registers， 控 制 模 块 Controlunit， 地 址 产 生 模 块Addressgen 和接口模块 Interface。下面详细介绍各模块的具体设计与实现方案。

　　3.1 寄存器模块

　　Registers 寄存器模块集合了控制器的各种寄存器，包括全局寄存器和各个通道的专用寄存器，控制器和系统微处理器的交互主要靠这些寄存器来完成。全局寄存器对所有的通道都有效，包括配置寄取，不需要 CPU 的参与，直到整个描述符链表执行完再产生中断通知 CPU，而传统的 CPU 配置模式每执行完一个任务都要产生中断，让 CPU 对下一个任务进行配置。每次传输的发起可以有两种模式，一种是软件使能方式，即只要将寄存器的 start 位置 1 就开始脱离 Idle 状态；另一种是硬件握手方式，寄存器的 start 位置 1 后，还需要有传输请求的模块发来申请并等待 MDMAC 确认后传输才开始。软件使能方式适用于数据复制操作，CPU 将某一地址区间的数据转移到另一地址区间。硬件握手方式是传统的DMA 工作方式。