深入了解PSoC5：DMA使用基礎(chǔ)

引言

PSoC5是Cypress可編程片上系統(tǒng)PSoC（Programmable System on Chip）家族中功能最強大的一個產(chǎn)品系列；采用工作頻率高達(dá) 80 MHz 的 32 位三段流水線式 ARM Cortex-M3 處理器構(gòu)建， 提供業(yè)界廣泛采用的0.5V至5.5V寬電壓范圍和低至200nA的休眠電流。此外，PSoC5片內(nèi)提供了極其豐富和業(yè)內(nèi)獨一無二的高性能可編程模擬和數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)，允許將任何模擬或數(shù)字信號（包括可編程時鐘）分配到任何通用I/O引腳，這為使用者提供了真正的“系統(tǒng)級”可編程能力。DMA（直接存儲器存儲：Direct Memory Access）就是其中一種功能強大的外設(shè)模塊。

本文以PSoC5平臺為例，介紹了DMA的主要原理，配置過程方法及具體的典型工程設(shè)計。

PSoC5外設(shè)架構(gòu)及DMA簡介

PSoC5芯片內(nèi)部集成了豐富的模擬與數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)，如圖1所示，由外設(shè)集線器PHUB（Peripheral Hub）負(fù)責(zé)將不同的外設(shè)子系統(tǒng)之間以及外設(shè)子系統(tǒng)與CPU連接起來。PHUB內(nèi)的連接數(shù)據(jù)總線共有8條，稱之為spoke， 有16位和32位兩種數(shù)據(jù)寬度。每個spoke都可以通過PHUB連接至不同的外設(shè)子系統(tǒng)或CPU。PHUB內(nèi)包含的DMAC（DMA控制器：DMA Controller）能夠使不同的外設(shè)子系統(tǒng)間通過spoke傳遞數(shù)據(jù)而不需要CPU的介入，可以極大的節(jié)省CPU資源，提高處理速度。

PSoC片內(nèi)通過PHUB的數(shù)據(jù)傳遞可以分為兩種：CPU與外設(shè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞；不同的外設(shè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，這類傳遞可以在DMAC的控制下直接通過spoke進(jìn)行，不需要CPU的主動介入。因此，CPU與DMAC可以在同一時刻訪問不同的spoke；如果二者在同一時刻訪問同一spoke，將會產(chǎn)生一個spoke仲裁（arbitration）。

DMAC主要通過24個DMA通道（Channel）和128個任務(wù)描述符TD（Transaction Descriptor）來實現(xiàn)外設(shè)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)直接存儲任務(wù)的設(shè)定與管理。

DMA通道：每個DMA通道定義一個DMA傳輸類型，包括數(shù)據(jù)源和目的外設(shè)子系統(tǒng)的類型及高16位地址，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)等。

任務(wù)描述符TD：在DMA通道配置定義的基礎(chǔ)上，TD進(jìn)一步定義了一個DMA傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)（或重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)），傳輸過程中及結(jié)束時需要執(zhí)行的動作。此外，每個TD配置中還定義了在本TD任務(wù)結(jié)束后指向的下一個TD的指針。

由上述定義不難看出，DMA通道配置主要在大的范圍內(nèi)限定了數(shù)據(jù)源和目的外設(shè)子系統(tǒng)的類型，以及所傳輸數(shù)據(jù)的長度。DMA傳輸任務(wù)的具體細(xì)節(jié)主要由任務(wù)描述符TD進(jìn)行配置。每個DMA通道可以有多個TD，構(gòu)成一個TD鏈表來完成比較復(fù)雜的多數(shù)據(jù)DMA傳輸。

圖2所示為一個比較簡單的DMA通道與其TD鏈表的示意圖。對于一個特定的任務(wù)，如何確定需要幾個DMA通道，以及每個DMA通道需要幾個任務(wù)描述符TD將在下面的章節(jié)中進(jìn)行論述。

DMA配置原理與方法說明

由上一節(jié)簡介可知，外設(shè)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的DMA傳輸任務(wù)配置應(yīng)該分為DMA通道配置與任務(wù)描述符TD配置兩個方面。

① DMA通道配置

圖3-1所示為DMA通道配置的主要內(nèi)容和參數(shù)。

Burst Count(1 to 255)：DMA傳輸一次數(shù)據(jù)稱為一個burst。此參數(shù)定義了DMA每次待傳輸數(shù)據(jù)的寬度，單位為字節(jié)。傳輸開始后，DMA應(yīng)將此參數(shù)定義的所有字節(jié)全部傳輸完，才能釋放相應(yīng)的spoke.

Request Per Burst (0 or 1)： 若一個DMA任務(wù)需要傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量超過一個burst時，應(yīng)分成多次發(fā)送。當(dāng)此參數(shù)設(shè)為0時，所有后續(xù)的burst將會在其前一個burst完成后自動進(jìn)行而不再需要單獨的request請求。因此只有在第一個burst開始時需要唯一的request請求。當(dāng)此參數(shù)設(shè)為1時，每個burst傳輸時都需要獨立的request請求。

First TD of Channel： 每個DMA通道擁有1個TD或由多個TD構(gòu)成的鏈表，此參數(shù)為指向單個TD，或多TD鏈表首個TD的指針。

Preserve TD (0 or 1)： 在一個request請求完成后，下一個request請求開始時可能會需要其TD的一些信息。此參數(shù)為0不保存TD的實時信息，為1則在每request請求結(jié)束后保存TD的所有中間狀態(tài)及配置信息。

② 任務(wù)描述符TD配置

圖3-2所示為任務(wù)描述符TD配置的主要內(nèi)容和參數(shù)。

Transfer Count(1 to 4095)：此參數(shù)定義了一個DMA任務(wù)需要傳輸數(shù)據(jù)包含的總字節(jié)數(shù)。若待傳輸單個數(shù)據(jù)的寬度（由 Burst Count定義）為N，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)（即burst數(shù)量）為M，那么Transfer Count參數(shù)應(yīng)當(dāng)為M * N。

TD Property：此參數(shù)包含多個配置項，如下所示：

Increment Source Address: 在每個burst傳輸結(jié)束后遞增源數(shù)據(jù)地址。

Increment Destination Address: 在每個burst傳輸結(jié)束后遞增目的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳輸任務(wù)的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)地址超過1個時，這兩個命令項必須被配置。

Swap Enable：此選項只針對PSoC3應(yīng)用。由于PSoC3的外設(shè)寄存器采用小端（Little Endian）格式，而PSoC3應(yīng)用程序的Keil編譯器對存儲器內(nèi)的變量采用大端（Big Endian）格式。因此當(dāng)DMA在外設(shè)寄存器與存儲器間傳輸2字節(jié)或4字節(jié)數(shù)據(jù)時，DMA必須交換傳輸數(shù)據(jù)的高低字節(jié)。

Swap Size：當(dāng)Swap Enable配置為1時，此選項有效。0表示2字節(jié)，1表示4字節(jié)。

Auto Executive Next TD：當(dāng)DMA通道含有多個TD時，須配置此選項。1表示當(dāng)前TD完成后，指針指向的下一個TD自動執(zhí)行；0表示當(dāng)前TD完成后，下一個TD的執(zhí)行需要另外的獨立request請求。

DMA Completion Event：當(dāng)DMA通道含有多個TD時，須配置此選項。1表示當(dāng)前TD完成后，指針指向的下一個TD自動執(zhí)行；0表示當(dāng)前TD完成后，下一個TD的執(zhí)行需要另外的獨立request請求。

Next TD：指向TD鏈表中相鄰的后續(xù)TD的指針。

③ 具體配置方法

DMA通道與任務(wù)描述符TD的各項參數(shù)配置共有兩種方法，一是通過菜單欄的DMA向?qū)В╓izard）提供的選項進(jìn)行設(shè)置，另一種是通過Creator提供的應(yīng)用程序接口API函數(shù)來進(jìn)行配置。關(guān)于PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境的使用與編程方法，請參考本文的參考文獻(xiàn)和登陸Cypress網(wǎng)站。

1）DMA向?qū)渲梅?/p>

首先將DMA器件（ component）放入Creator 2.2 的原理圖界面中，并完成系統(tǒng)原理圖后，點擊菜單欄 Tools -> DMA Wizard，打開配置對話框，點擊 Next，出現(xiàn)如圖4所示界面。在此界面中可以配置數(shù)據(jù)源及目的地址等參數(shù)；

點擊 Next后出現(xiàn)圖5所示界面，根據(jù)工程實際要求進(jìn)一步配置其余參數(shù)，然后點擊Next，進(jìn)入圖6所示界面，自動生成DMA配置代碼，將此代碼拷入主程序中即可。

2）API配置法

在Creator中完成原理圖繪制后，首先編譯原理圖，DMA器件將會產(chǎn)生兩個API源程序文件，DmaInstanceName_dma.c和DmaInstanceName_dma.h。其中的c文件中包含有DMA初始化與配置的函數(shù)。配置過程主要步驟如下：

1、啟動（Start）DMA通道

Channel_Handle = DMA_DmaInitialize(DMA_BYTES_PER_BURST, DMA_REQUEST_PER_BURST, HI16(Source Address), HI16(Destination Address))

2、創(chuàng)建一個 TD實例

TD_Handle = CyDmaTdAllocate();

3、設(shè)定 TD傳輸配置項

CyDmaTdSetConfiguration(TD_Handle,Transfer_Count,Next_TD,TD_Property);

4、設(shè)定TD傳輸數(shù)據(jù)源及目的地址

CyDmaTdSetAddress(TD_Handle, LO16(Source Address), LO16(Destination Address))

5、設(shè)定DMA通道的初始TD指針

CyDmaChSetInitialTd(Channel_Handle , TD_Handle)

6、允許（Enable）DMA通道

CyDmaChEnable(Channel_Handle, preserve_TD)

PSoC5平臺上的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的DMA傳輸實例

對于參數(shù)緩慢變化且有干擾伴隨的ADC應(yīng)用來說，并不需要在每個轉(zhuǎn)換周期完成后實時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。比較好的解決方法是將一段時間內(nèi)的采樣結(jié)果自動存放在某個地方，然后再由CPU一次性讀取，這樣既可以節(jié)約CPU的資源，又可以進(jìn)行一些濾波處理。DMA正好可以扮演自動將一組采樣結(jié)果存放到RAM中的角色，示意圖如圖6所示。

ADC轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生EOC信號時，DMA將2字節(jié)的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果從ADC寄存器 搬至片內(nèi)RAM的緩沖數(shù)組中，達(dá)到設(shè)定的數(shù)量時，DMA產(chǎn)生一個nrq完成信號觸發(fā)中斷，由CPU讀取并處理這一組信號。相應(yīng)的Creator原理圖如圖7所示。

可以采用上述兩種DMA配置方法的任意一種。圖8為DMA通道配置示意。由于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，所以Burst Count為2；本實例設(shè)定為一次按鍵DMA搬運一個數(shù)據(jù)后即關(guān)閉，故Request Per Burst 為1；而后續(xù)burst傳輸必須和當(dāng)前burst連續(xù)，所以Preserve TD為1。

圖9為任務(wù)描述符TD配置示意。Transfer Count設(shè)定為N × Burst Count；在每個burst完成后，需要Increment Destination Address；且傳輸數(shù)量達(dá)到Transfer Count后，將會Generate DMA done event來觸發(fā)中斷程序。

值得注意的是，在這里只需要1個TD就可以完成任務(wù)了。如果DMA需要將ADC結(jié)果搬入RAM中兩個獨立的緩沖區(qū)，如圖10所示意，由于兩個緩沖區(qū)間的距離超過一個Burst Count，所以需要兩個TD來完成任務(wù)。而這兩個緩沖區(qū)的地址高16位都是相同的，所以共享一個DMA通道就可以了。

小結(jié)

本文主要介紹了PSoC5片內(nèi)DMA的主要原理，配置過程與方法，以及如何使用DMA進(jìn)行具體的工程設(shè)計。采用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)直接傳輸與存儲，可以不占用CPU的處理時間，極大地提高PSoC5的處理速度和效率。DMA可以在數(shù)據(jù)通訊與大規(guī)模現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，幫助用戶使用PSoC5設(shè)計出簡潔高效的產(chǎn)品。