引言

　　隨著微電子技術的飛速發展，集成電路規模按照摩爾定律（微芯片上集成的晶體管數目每18個月翻一番）飛速提高，片上系統（SystemOnChip，簡稱SOC）技術成為國際超大規模集成電路的發展趨勢。在SOC系統設計中，為了能夠快速、穩定的形成產品，IP核積累和復用技術逐漸成為各個芯片廠商的首選。在這樣的背景下，IP復用技術成為了集成電路設計的一個重要分支，很多設計廠商在購買其它公司的IP核的同時，也越來越重視本公司的IP核設計和積累。

　　DMA控制器是常見的總線設備之一，很多廠商都有自己的DMA控制器IP核。比如嵌入式處理器的龍頭ARM公司就有自己的DMA控制器解決方案提供給客戶，另外像Freescale，Fujitsu等芯片制造廠商都有自己的解決方案。本文通過介紹一種基于ARM總線之一的AHB總線的DMA控制器的IP核設計，簡述了IP核設計的流程和需要重點注意的地方。

　　DMA控制器

　　功能描述

　　一般而言，DMA控制器的功能與結構是由本單位特定的系統結構決定的。但是作為IP而言，DMA控制器又要有其一般性。DMA是指外部設備直接對計算機存儲器進行讀寫操作的I/O方式。這種方式下數據的讀寫無需CPU執行指令，也不經過CPU內部寄存器，而是利用系統的數據總線，由外設直接對存儲器寫入或讀出，從而達到極高的傳輸速率。現在DMA也可以在內存之間或是外設之間直接進行數據操作。DMA技術的重要性在于，利用它進行數據存取時不需要CPU進行干預，可提高系統執行應用程序的效率。利用DMA傳送數據的另一個好處是數據直接在源地址和目的地址之間傳送，不需要是中間媒介。

　　通用的DMA控制器應具有一下功能：

　　1.編程設定DMA的傳輸模式及其所訪問內存的地址區域。

　　2.屏蔽或接受外設或軟件的DMA請求。當有多個設備同時請求時，還要進行優先級排隊，首先響應最高級的請求。

　　3.向CPU或總線仲裁設備提出總線請求。

　　4.接收總線響應信號，接管總線控制。

　　5.在DMA控制器的管理下實現外設和存儲器、外設和外設或存儲器之間的數據直接傳輸。

　　6.在傳輸過程中進行地址修改和傳輸量計數。當要求的數據傳送完后，撤銷總線請求，交還總線控制權。

　　總而言之，DMA控制器一方面可以接管總線，直接在I/O接口和存儲器之間進行讀寫操作，即可以像CPU一樣視為總線的主設備，這是DMA與其它外設最根本的區別;另一方面，作為一個I/O器件，其DMA控制功能正式通過初始化編程來設置的。當CPU對其寫入或讀出時，它又和其它的外設一樣成為總線的從屬器件。

　　而作為專用的DMA控制器又會有其特定的功能要求。比如對于AHB總線而言，需要支持Burst操作。另一方面，現在多數支持操作系統的嵌入式系統或計算機系統都使用虛擬內存技術。這一技術的使用使得在操作系統層面上看到內存地址與物理地址間并非一一映射，操作系統層面上連續的內存地址在真實的物理內存上并不一定連續。但是DMA控制器并不一定了解這一現象。為了解決這一問題并提高傳輸效率，多數在高級嵌入式系統中使用的DMA控制器支持分散/集合LLI（LogicLinkItem）技術。

　　設計指標本

　　DMA控制器的主要指標如下：

　　$16個DMA通道，其中6個為獨立的軟件通道，另10個為軟硬件復用的通道。

　　$DMA讀數據與寫數據獨立進行。

　　$各通道獨立編程，獨立初始化。

　　$支持軟件復位。

　　$全面支持AHB總線協議。

　　$支持LLI技術。

　　總體設計

　　DMA控制器主要包括以下幾個模塊，其結構圖如圖1所示。

　　$APB接口模塊：該部分主要實現APB總線讀寫協議，并通過ARM配置DMA控制器的寄存器。

　　$控制寄存器模塊：該部分通過APB總線進行配置，獲得DMA控制器的控制信息。該模塊主要由命令控制寄存器、狀態寄存器和中斷寄存器組成。

　　$DMA控制狀態機模塊：本模塊是DMA控制器的核心部分，負責發起和中止每一次DMA傳輸，同時負責每次DMA傳輸過程中的狀態轉換。

　　$通道模塊：該模塊包含了16個通道，其中10個是軟、硬件復用的，另外6個是軟件專用的。前者除了有常規的寄存器組外，還要負責檢測硬件的DMA傳輸請求;而后者則沒有這部分功能，但后者要支持LLI功能。常規的通道寄存器組由各個通道的源地址、目的地址、傳輸長度以及通道控制寄存器等組成。

　　$優先級控制模塊：本模塊有狀態寄存器和請求寄存器。ARM通過編程確定各個通道的優先級順序。當有多個DMA請求同時出現的時候，通過此模塊確定哪個請求優先被響應。

　　$AHB總線接口模塊：本模塊負責實現AHB總線讀寫協議。

　　工作原理及流程

　　作為DMA控制器有其特殊性，主要體現在它既是總線的從設備，又是總線的主設備。因此，DMA控制器有兩個主要的狀態——空閑態與工作態。當DMA控制器處于空閑態時，它就相當于一個總線的從設備，受到ARM的管理與控制。ARM通過編程配置DMA控制器的寄存器。

　　作為嵌入式系統常用的AMBA總線結構和一般的計算機系統有一定的區別。AMBA總線控制權是由總線仲裁器給予的，DMA控制器與CPU一樣，向總線仲裁器提出總線使用需求，總線仲裁器根據優先級算法決定是否給予總線使用權。而一般計算機系統默認CPU控制總線，若DMA有占用總線的需求是直接向CPU提出申請。

　　DMA主狀態機如圖2所示。當有硬件或軟件提出DMA傳輸請求時，DMA控制器將轉到工作態的第一個子狀態——準備狀態，DMA向總線仲裁器發出總線控制請求。若此時總線仲裁器沒有更高優先級的總線需求請求，它會將總線控制權交給DMA控制器。當DMA控制器拿到總線控制權后會轉到傳輸狀態。根據選定的通道及其寄存器組的要求，進行DMA傳輸。在傳輸狀態中，DMA讀數據部分會率先動作，從源地址讀取數據至FIFO中，當FIFO中的數據量夠一次Burst操作后，寫數據部分會行動，將數據從FIFO中寫到目的地址所對應的模塊中。若圖2DMA主狀態機FIFO滿，則自動停止讀數據，若FIFO空則自動停止寫數據。當讀數據部分完成了此次DMA傳輸要求的長度后，狀態機進入下一個子狀態，等待寫數據部分將數據全部寫完。當完成全部操作后，DMA控制器會向發起DMA傳輸請求的設備發出信號，告知DMA傳輸順利完成，要求該設備撤銷DMA傳輸請求，并歸還總線控制權。至此DMA控制器回到空閑狀態，等待下一次DMA傳輸請求。

　　一般而言，DMA控制器在總線仲裁器中是優先級最低的設備。因此，當有其它更高優先級的總線主設備要求總線資源時，DMA控制器會被剝奪總線使用的權利，此時DMA控制器將進入等待狀態，直到優先級更高的總線主設備釋放總線控制權后再進入傳輸狀態。

　　當軟件提出申請，完成內存之間的大量DMA傳輸時，一般會使用LLI功能。LLI功能針對的虛擬內存空間與物理內存空間映射的不一致性，為了提高傳輸性能而引入的一種傳輸機制。作為LLI傳輸，ARM需要編程給DMA控制器，告知LLI列表的地址，并啟動DMA傳輸。當DMA控制器發現是LLI傳輸時，它會到LLI列表中讀取第一次DMA傳輸的源地址、目的地址、傳輸長度以及下一個LLI列表的地址并存入寄存器。當此次DMA傳輸結束后，DMA控制器會自動到下一個LLI列表中讀取下一次DMA傳輸的信息。這個鏈表傳輸過程直到LLI寄存器中的內容為“0”時中止。

　　基于ASIC的考慮

　　關于總線

　　根據AMBA協議，AHB總線支持字節、半字和全字操作。因此DMA控制器在這點上符合AHB協議的要求DMA控制器默認32位數據線，因此需要根據讀寫地址以及讀數據操作類型將讀入的數據放入32位的FIFO中，寫出的時候再根據地址和寫數據的操作類型將數據從FIFO中放到寫數據總線上。如字節操作時，根據讀地址從讀到的一個字的數據中選取合適的字節放到FIFO中的最低字節;寫的時候從FIFO最低部分取數，根據寫地址將此字節放到寫數據相應的部分，其余位補零。

　　作為ASIC而言，一般情況下，三態只用于輸入輸出的管腳上。即使是總線在芯片內部也是將讀數據線與寫數據線分開使用的。本設計秉承這一原則，將讀寫數據線分開。

　　作為DMA傳輸，地址的變更需要靈。有時候讀寫地址需要增加，有時候地址需要不變。當增加的時候，也要根據傳輸的類型決定地址增加1、2或4

　　關于復位

　　復位是ASIC設計中最容易出問題的一環。DMA控制器主要有兩種復位方式，一種是上電復位，即異步復位，另一種是軟件復位，即同步復位。

　　異步復位通過將全部D-觸發器的Reset端接到復位信號線上，無需時鐘就可以實現的復位。一般情況下在上電的時候作一次。而根據功能的需要當系統出現故障，或軟件需要強行中止一次DMA傳輸的時候，則需要軟件通過配置寄存器實現復位功能。此時就需要同步復位。

　　關于綜合

　　由于DMA控制器工作在高速總線上，總線時鐘最高可以達到200M，故在做前端設計的時候要特別注意。

　　以優先級判斷為例。優先級判斷本質就是16個數字比大小。為了使時間復雜度最小，不采取經典的“冒泡排序”，而是對半排序法。這樣比較4次就可以得到需要的數據。四級MUX對于低頻而言不算很困難，但是對于高頻而言，為了能夠滿足時序要求，就需要在第二次比較之后插入一組觸發器。

　　結語

　　本文討論了一種基于AMBA總線的DMA控制器的IP核設計，結合這個實際的設計，討論了IP復用技術的設計方法。這個設計不依賴于具體的FPGA或ASIC型號或工藝，因此其可移植性被大大增加。另一方面本設計綜合出來的DMA控制器是20K門，比起ARM公司的DMAC控制器的68K門，在面積方面也有很大的優勢。

　　IP復用技術越來越成為嵌入式系統的發展趨勢。這種設計方法順應了超大規模集成電路的發展潮流，必將成為這一領域發展的方向。