Zynq7000系列FPGA中的DMA控制器简介（一）

news2024/10/6 22:29:34

DMA控制器（DMAC）使用64位AXI主接口来执行与系统存储器和PL外围设备之间的DMA数据传输，操作频率同CPU_2x的时钟速率。传输由DMA指令执行引擎控制。DMA引擎运行在一个小指令集上，该指令集提供了一种灵活的指定DMA传输的方法。这种方法提供了比DMA控制器方法的能力更大的灵活性。

DMA引擎的程序代码由软件写入系统存储器的一个区域，该区域由控制器使用其AXI主接口访问。DMA引擎指令集包括用于DMA传输的指令和用于控制系统的管理指令。

控制器最多可配置八个DMA通道。每个通道对应于DMA引擎的处理器上运行的一个线程。当DMA线程执行加载或存储指令时，DMA引擎将内存请求推送到相关的读或写队列。DMA控制器使用这些队列来缓冲AXI读/写事务。控制器包含一个多通道FIFO（MFIFO），用于在DMA传输期间存储数据。

DMA引擎处理器上运行的程序代码将MFIFO视为包含一组用于DMA读写事务的可变深度并行FIFO。程序代码必须管理MFIFO，以便所有DMA FIFO的总深度不超过1024字节的MFIFO。
DMAC能够在没有处理器干预的情况下移动大量数据。源存储器和目标存储器可以位于系统中的任何位置（PS或PL）。DMAC的内存映射包括DDR、OCM、线性寻址Quad SPI读取内存、SMC内存和PL外围设备或连接到M_GP_AXI接口的内存。

用于与PS存储器进行传输的流控制方法使用AXI互连。使用PL外设的访问可以使用AXI流控制或DMAC的PL外设请求接口。没有指向PS I/O外设（IOP）的外设请求接口。对于PL外围AXI事务，在使用中断或状态轮询的编程IO方法中使用在CPU上运行的软件。

控制器有两组控制寄存器和状态寄存器。一组在安全模式下可访问，另一组在非安全模式下可以访问。软件通过控制器的32位APB从接口访问这些寄存器。整个控制器要么以安全模式操作，要么以非安全模式操作；不存在基于信道的模式混合。安全配置更改由slcr寄存器控制，需要重置控制器才能生效。

特征

DMA控制器提供：

DMA引擎处理器，具有用于DMA传输的灵活指令集：

灵活的分散-聚集内存传输
完全控制源和目的地的寻址
定义AXI事务属性
管理字节流

八条缓存线，每条缓存线有四个字宽
八个并发DMA通道线程

允许多个线程并行执行
发出最多8个读取和最多8个写入AXI事务的命令

对PS中断控制器和PL的八次中断
DMA引擎程序代码中的八个事件
128（64位）字MFIFO，用于缓冲控制器在传输过程中写入或读取的数据
安全性

用于安全寄存器访问的专用APB从接口
整个控制器配置为安全或非安全

内存到内存的DMA传输
四个PL外设请求接口，用于管理进出PL逻辑的流量控制：每个接口最多可接受四个活动请求

DMA控制器的系统视图如图9-1所示。

方框图

DMA控制器的框图如图9-2所示。

DMA指令执行引擎

DMAC包含一个指令处理块，使其能够处理控制DMA传输的程序代码。DMAC为每个线程维护一个单独的状态机。

渠道仲裁

为活动DMA通道提供服务的循环方案
在为下一个DMA通道提供服务之前，先为DMA管理员提供服务
不支持更改仲裁程序

渠道优先级
以同等优先级响应所有活动（active）DMA通道
不支持对DMA通道的优先级进行相对于其他DMA通道的任何更改

指令缓存

处理器内部通常包含一个或多个缓存，用于存储从主存中取出的指令和数据。缓存的目的是为了加速处理器访问这些指令和数据，因为从缓存中读取数据通常比从主存中读取要快得多。当一个线程（在处理器中执行的程序的一部分）请求从一个特定地址读取指令时，缓存首先会尝试查找这个地址是否在其存储的数据中。如果缓存中存在所请求的指令（即缓存命中），那么缓存会立即提供这个指令的数据给处理器，而不需要从主存中读取。这大大减少了处理器的等待时间。如果缓存中没有所请求的指令（即缓存未命中），那么线程会被暂停（stall），直到控制器使用AXI接口从主存中读取该指令并将其放入缓存中。这个过程被称为“缓存行填充（cache line fill）”。如果一条指令的大小超过四个字节，或者它跨越了缓存行的末尾（即这条指令的一部分在一个缓存行中，另一部分在另一个缓存行中），那么处理器需要执行多次缓存访问来获取这条完整的指令。这是因为缓存通常以固定大小的“缓存行”（cache line）为单位来存储数据，这些缓存行的大小通常是固定的，例如64字节或128字节。

当控制器正在通过AXI接口从主存中读取数据以填充缓存行时，它允许其他线程访问缓存。然而，如果在这个过程中另一个线程尝试访问的指令或数据不在缓存中（即发生另一个缓存未命中），那么该线程的指令流水线（pipeline）会被暂停（stall），直到第一个缓存行填充完成。

当指令缓存需要从系统内存中读取指令以填充其缓存行时，这个填充操作的延迟（latency）取决于系统内存的读取延迟。换句话说，如果系统内存（比如DRAM）的读取速度较慢，那么指令缓存填充操作就需要更长的时间。DMAC的性能高度依赖于64位AXI主接口（AXI master interface）的带宽。

读/写指令队列

当通道线程执行加载或存储指令时，控制器将该指令添加到相关的读取队列或写入队列。在AXI互连上发布事务之前，控制器将这些队列用作指令存储缓冲区。

多通道数据FIFO

DMAC使用多通道先进先出（MFIFO）数据缓冲器来存储它在DMA传输期间读取或写入。

用于指令获取和DMA传输的AXI主接口

程序代码存储在系统存储器的一个区域中，控制器使用64位AXI主接口访问该区域。AXI主接口还使DMA能够将数据从源AXI从设备传输到目标AXI从机。

用于寄存器访问的APB从接口

控制器通过32位APB从接口响应下列两个地址范围，这两个地址范围被软件用作读取和写入控制寄存器。

非安全寄存器访问
安全的寄存器访问

中断接口

中断接口允许硬件事件或软件条件有效地将通知（或称为中断信号）传递给中断控制器（Interrupt Controller）。当这些事件或条件发生时，它们会触发中断，中断控制器随后会暂停当前正在执行的指令（如果处理器正在执行），并跳转到特定的中断处理程序（Interrupt Handler）或中断服务例行程序（Interrupt Service Routine, ISR）以处理该中断。