DMA设计

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title: DMA设计

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date: 2019年1月5日 17:27:08

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DMA设计

DMA框架

一个简单的DMA框图如下DREQ→HOLD→HLDA→DACK

DMAC的一些必备特性:

• 能发出地址信息，对存储器寻址，并修改地址指针，DMAC内部必须有能自动加1或减1的地址寄存
• 能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束。DMA内部必须有能自动减1的字计数寄存器，计数结束产生终止计数信号;
• 能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复总线控制权;
• 能发出读、写控制信号，包括存储器访问信号和I/O访问信号。DMAC内部必须有时序和读写控制逻辑。

信号线如下

• DRQ：DMA请求信号。是外设向DMA控制器提出要求DMA操作的申请信号。
• DACK：DMA响应信号。是DMA控制器向提出DMA请求的外设表示已收到请求和正进行处理的信号。
• HOLD：总线请求信号。是DMA控制器向CPU要求让出总线的请求信号。
• HLDA：总线响应信号，是CPU向DMA控制器表示允许总线请求的应答信号。

流程顺序

1. 当外设有DMA需求，并且准备就绪，就向DMAC控制器发出DMA请求信号DREQ
2. DMAC接到DMA请求信号后向CPU发出总线请求信号HRQ。该信号连接到CPU的HOLD信号。
3. CPU接到总线请求信号以后，如果允许DMA传输，则会在当前总线周期结束后，发出DMA响应信号HLDA。一方面CPU将控制总线、数据总线和地址总线置高阻态，即放弃对总线的控制权；另一方面CPU将有效的HLDA信号送给DMAC，通知DMAC，CPU已经放弃了对总线的控制权。
4. DMAC获得对总线的控制权，并且向外设送出DMAC的应答信号DACK，通知外设可以开始进行DMA传输了。
5. DMAC向存储器发送地址信号和向存储器及外设发出读/写控制信号，控制数据按初始化设定的方向传送，实现外设与内存的数据传输。
6. 数据全部传输结束后，DMAC向CPU发HOLD信号，要求撤销总线请求信号。CPU收到该信号以后，使HLDA无效，同时收回对总线的控制权。

DMA控制器的基本组成

• 内存地址计数器:用于存放内存中要交换的数据的地址。
• 字计数器:用于记录传送数据块的长度(多少字数)。
• 数据缓冲寄存器:用于暂存每次传送的数据(一个字)。
• "DMA请求"标志:每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使"DMA请求"标志置"1"。该标志置位后向"控制/状态"逻辑发出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，"控制/状态"逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使"DMA 请求"标志复位，为交换下一个字做好准备。
• "控制/状态"逻辑:由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入或输出)，并对"DMA请求"信号和CPU响应信号进行协调和同步。
• 中断机构:当字计数器溢出时，意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。

手册请看英文手册

芯片特性

请求来源

• 软件触发

• 外设触发

• 外部引脚触发,这个是STM32所没有的,这个是有具体的时序的,STM32应该是可以用中断引脚触发

  

2440通道传输类型

• 源和目标都在系统总线上(比如:两个物理内存地址)
• 目标在外设总线上时,源在系统总线上(外设指:串口,定时器,I2C,I2S等)
• 目标在系统总线上时,源在外设总线上
• 源和目标都在外设总线上----------这个ST的也没有

外部引脚的DMA协议

这个貌似有点复杂,暂时也没用过,暂时不做深入分析了

协议简述

2440里面的DMA传输分为两个层次，一个是REQ/ACK协议，还一个是单模式和全模式，所谓单模式个全模式是指的在一次DMA请求中的传输数量

基本时序

时序参数

• 信号的有效性: 高电平无效，低电平有效，这里称为assert

• REQ有效

  REQ的只能在ACK释放(high)的时候才能被asserted(high),也就是说 请求信号只能在ACK为高的时候才能被MCU的DMA识别到

• 信号生效识别

  nXDREQ请求生效并经过2CLK周期同步后，nXDACK响应并开始生效，但至少还要经过3CLK的周期延迟，DMA控制器才可获得总线的控制权，并开始数据传输。

模式

• Single service : 当没有原子传输(unit/burst)后,停止传输，等待下一次请求

• Whole service : 重复原子传输，直到计数器到0.这个模式下，不需要另外的请求.这个是重点
  
  在全模式下，DMA也会在每个原子传输后释放总线然后去尝试获得总线，以防止总线被占据

也就是说，全模式是我们一般使用的模式，使用计数器，一次请求会传输所有数据.单模式一次传输一个原子操作.

ACK清零:

• 单服务是完成一个原子操作
• 全服务是完成所有传输

中断发生:

• 都在计数器为0的时候

协议

这里的协议，指的是请求应答协议，分为两种.

• Demand Mode 请求/查询模式

  如果REQ信号有效，则一直保持传输，这个时候的ACK只是告诉你这一次传输完成

  这个模式会霸占总线的，不像全服务中完成一个原子操作释放一下总线

• Handshake Mode 握手模式

  如果REQ信号释放，这个时候DMA控制器释放ACK两个周期，否则DMA会一直等到REQ的释放

  也就是启动下一次传输前，需要请求端先释放，然后MCU完成后会无效ACK两个周期告诉请求端，请求端再来请求，否则一直等待

在Demond模式下，如果DMA完成一次请求后如果Request仍然有效，那么DMA就认为这是下一次DMA请求，并立即开始下一次的传输；

在Handshake模式下，DMA完成一次请求后等待Request信号无效，如果Request无效，DMA会无效ACK两个时钟周期，再等待下一次Request。

数据大小的描述

数据传输的大小=数据传输次数 * 每次传输的读写次数 * 一次读或者写的大小

• 每次传输的读写次数可以是1个或者4个 unit/burst
• 一次读或者写的大小可以是1字节，2字节，4字节

具体完整的实例时序

单服务查询请求模式

单服务握手模式

全服务握手模式

在这里其实无所谓hand了，因为在全模式下只需要一次请求就能完成后续的所有操作

代码设计

这里的代码就是驱动实现一个内存的拷贝，不涉及到上面长篇大论的时序分析，只是需要设置好相关的寄存器配置配置DMA的模式，然后启动DMA后进入休眠，完成后DMA中断唤醒后退出.

测试程序调用字符驱动程序的接口ioctl来测试即可

写程序前需要查看用到的DMA

cat /proc/interrupts

驱动程序

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/dma-mapping.h>

#define  S3C_DMA_SIZE   512*1024          //DMA传输长度   512KB

#define NORMAL_COPY     0                 //两个地址之间的正常拷贝
#define DMA_COPY        1                 //两个地址之间的DMA拷贝

/*函数声明*/
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(s3c_dma_queue);          //声明等待队列
static int s3c_dma_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long flags);

  /*
   * 定义中断事件标志
   * 0:进入等待队列        1:退出等待队列
   */
     static int s3c_dma_even=0;

static unsigned char   *source_virt;            //源虚拟地址
static unsigned int     source_phys;            //源物理地址

static unsigned char *dest_virt;              //目的虚拟地址
static unsigned int   dest_phys;              //目的虚拟地址

/*DMA3寄存器*/
struct  S3c_dma3_regs{
    unsigned int disrc3    ;          //0x4b0000c0
    unsigned int disrcc3   ;
    unsigned int didst3    ;
    unsigned int didstc3   ;
    unsigned int dcon3     ;
    unsigned int dstat3    ;
    unsigned int dcsrc3    ;
    unsigned int dcdst3    ;
    unsigned int dmasktrig3;        //0x4b0000e0
};

 static volatile struct S3c_dma3_regs   *s3c_dma3_regs;

/*字符设备操作*/
static struct file_operations  s3c_dma_fops={
        .owner  = THIS_MODULE,
        .ioctl     = s3c_dma_ioctl,
};

/*中断服务函数*/
static irqreturn_t  s3c_dma_irq (int irq, void *dev_id)
{
    s3c_dma_even=1;                             //退出等待队列
    wake_up_interruptible(&s3c_dma_queue);      //唤醒 中断
    return IRQ_HANDLED;
}

/*ioctl函数*/
static int s3c_dma_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long flags)
{
    int i;
    memset(source_virt, 0xAA, S3C_DMA_SIZE);
    memset(dest_virt, 0x55, S3C_DMA_SIZE);   

    switch(cmd)
    {
    case NORMAL_COPY:                           //正常拷贝

             for(i=0;i<S3C_DMA_SIZE;i++)
                 dest_virt[i] =  source_virt[i];

             if(memcmp(dest_virt, source_virt, S3C_DMA_SIZE)==0)
           {
         printk("NORMAL_COPY OK\n");
                return 0;
         }
         else
        {
         printk("NORMAL_COPY ERROR\n");
               return -EAGAIN;
        }             

    case DMA_COPY:                               //DMA拷贝

        s3c_dma_even=0;     //进入等待队列

        /*设置DMA寄存器,启动一次DMA传输 */
        /* 源的物理地址 */
        s3c_dma3_regs->disrc3      = source_phys;
        /* 源位于AHB总线, 源地址递增 */
        s3c_dma3_regs->disrcc3     = (0<<1) | (0<<0);
        /* 目的的物理地址 */
        s3c_dma3_regs->didst3      = dest_phys;
        /* 目的位于AHB总线, 目的地址递增 */
        s3c_dma3_regs->didstc3     = (0<<2) | (0<<1) | (0<<0);
        /* 使能中断,单个传输,软件触发, */
        s3c_dma3_regs->dcon3=(1<<30)|(1<<29)|(0<<28)|(1<<27)|(0<<23)|(0<<20)|(S3C_DMA_SIZE<<0);
        //启动一次DMA传输
        s3c_dma3_regs->dmasktrig3  = (1<<1) | (1<<0);     

        wait_event_interruptible(s3c_dma_queue, s3c_dma_even);    //进入睡眠,等待DMA传输中断到来才退出

        if(memcmp(dest_virt, source_virt, S3C_DMA_SIZE)==0)
        {
         printk("DMA_COPY OK\n");
                return 0;
         }
        else
        {
       printk("DMA_COPY ERROR\n");
             return -EAGAIN;
           }  

            break;
    }
    return 0;
}

static unsigned int major;
static struct class *cls;
static int s3c_dma_init(void)
{
    /*1.1 注册DMA3 中断  */
    if(request_irq(IRQ_DMA3, s3c_dma_irq,NULL, "s3c_dma",1))
    {
        printk("Can't    request_irq   \"IRQ_DMA3\"!!!\n ");
        return -EBUSY;
    }

    /*1.2 分配两个DMA缓冲区(源、目的)*/
    source_virt=dma_alloc_writecombine(NULL,S3C_DMA_SIZE, &source_phys, GFP_KERNEL);
    if(source_virt==NULL)
   {
        printk("Can't  dma_alloc   \n ");
        return -ENOMEM;
   }

    dest_virt=dma_alloc_writecombine(NULL,S3C_DMA_SIZE, &dest_phys, GFP_KERNEL);
    if(dest_virt==NULL)
   {
        printk("Can't  dma_alloc   \n ");
        return -ENOMEM;
   }

    /*2.注册字符设备,并提供文件操作集合fops*/
    major=register_chrdev(0, "s3c_dma",&s3c_dma_fops);
    cls= class_create(THIS_MODULE, "s3c_dma");
    class_device_create(cls, NULL,MKDEV(major,0), NULL, "s3c_dma");

    s3c_dma3_regs=ioremap(0x4b0000c0, sizeof(struct S3c_dma3_regs));

    return 0;
}

static void s3c_dma_exit(void)
{
    iounmap(s3c_dma3_regs);

    class_device_destroy(cls, MKDEV(major,0));
    class_destroy(cls);

    dma_free_writecombine(NULL, S3C_DMA_SIZE, dest_virt, dest_phys);
    dma_free_writecombine(NULL, S3C_DMA_SIZE, source_virt, source_phys);   

    free_irq(IRQ_DMA3, 1);

}
module_init(s3c_dma_init);
module_exit(s3c_dma_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>

/* ./dma_test NORMAL
 * ./dma_test DMA
 */
#define NORMAL_COPY     0               //两个地址之间的正常拷贝
#define DMA_COPY        1              //两个地址之间的DMA拷贝

void print_usage(char *name)
{
    printf("Usage:\n");
    printf("%s <NORMAL | DMA>\n", name);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd,i=30;

     if (argc != 2)
    {
        print_usage(argv[0]);
        return -1;
    }

    fd = open("/dev/s3c_dma", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        printf("can't open /dev/s3c_dma\n");
        return -1;
    }

    if (strcmp(argv[1], "NORMAL") == 0)
    {
        while (i--)　　　　　　　　　　　　　　　　//调用驱动的ioctl()，30次
        {
            ioctl(fd, NORMAL_COPY);
        }
    }
    else if (strcmp(argv[1], "DMA") == 0)
    {
        while (i--)　　　　　　　　　　　　　　　　//调用驱动的ioctl(),30次　　　　　　　　
        {
            ioctl(fd, DMA_COPY);
        }
    }
    else
    {
        print_usage(argv[0]);
        return -1;
    }
    return 0;
}

测试

1. ./dma_test NORMAL & 卡住
2. ./dma_test DMA &，输入命令有反应

参考链接

csdn DMA框架

cnblog DMA请求应答协议

cnblog 笔记