摘? 要: 針對(duì)ADSP-21535 Blackfin 的Mem DMA 高速通信" title="高速通信">高速通信中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論,分析了系統(tǒng)的內(nèi)存管理" title="內(nèi)存管理">內(nèi)存管理,對(duì)DMA的相關(guān)寄存器的配置進(jìn)行了詳細(xì)講解,并給出了具體實(shí)例。對(duì)多種內(nèi)存之間的DMA列出了實(shí)際的指標(biāo)評(píng)測,為該系列DSP工程應(yīng)用的高速通信設(shè)計(jì)提供了重要參考。

　　關(guān)鍵詞: ADSP-21535 Blackfin? Mem DMA　

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　　ADSP-21535 Blackfin 是美國AD公司和Intel 公司于2001年底聯(lián)合推出的一款定點(diǎn)DSP, RISC指令結(jié)構(gòu),運(yùn)作高效,具有十分優(yōu)異的性能。該DSP具有300MHz的主頻,2個(gè)40bit的MAC(乘加器)和2個(gè)32bit的ALU(算術(shù)邏輯單元),4個(gè)8bit的視頻處理單元,16個(gè)地址尋址單元。該DSP內(nèi)部集成了308KB的RAM,并具有豐富的外部接口,如PCI、USB、SPI、同步和異步串口等。同時(shí),芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了看門狗和多種定時(shí)器,充分滿足軟件工程穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。值得一提的是,21535可以動(dòng)態(tài)地控制電壓輸入,調(diào)整運(yùn)行頻率,減少芯片功耗,十分適用于移動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

　　2002年底,AD公司在中國開始大規(guī)模推廣Blackfin系列的DSP,21535成為該系列的旗艦產(chǎn)品。由于該DSP推出時(shí)間不長,相關(guān)文獻(xiàn)幾乎沒有報(bào)道；而且,在許多接口性能方面,AD公司也沒有對(duì)其給出準(zhǔn)確的指標(biāo)。根據(jù)通常的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,新產(chǎn)品通常在某些方面沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。筆者所設(shè)計(jì)的高速通信板數(shù)據(jù)交換速度必須達(dá)20M Word/s以上,因此對(duì)該DSP的高速通信必須進(jìn)行準(zhǔn)確仔細(xì)的評(píng)估和設(shè)計(jì)。

　　ADSP-21535的內(nèi)存訪問支持I/O方式、內(nèi)存映射和多種DMA方式,其中Mem DMA(Memory to memory DMA)方式是最快的一種并行通信方式。因此,筆者在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了Mem DMA作為高速通信方式。由于21535支持多種內(nèi)存,因此在設(shè)計(jì)Mem DMA時(shí),必須對(duì)21535的內(nèi)存管理有一個(gè)詳細(xì)的了解。

1 ADSP-21535的內(nèi)存管理

　　21535的內(nèi)存管理十分強(qiáng)大。它把存儲(chǔ)器視為一個(gè)統(tǒng)一的4GB的地址空間,使用32位地址。所有的資源,包括內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器、PCI地址空間和I/O控制寄存器,都具有獨(dú)立的地址空間。此地址空間的各部分存儲(chǔ)器按照分級(jí)結(jié)構(gòu)排列,以提供較高的性能價(jià)格比。一些快速、低延遲的存儲(chǔ)器(如L1)的位置接近處理器核心,而低成本低性能的存儲(chǔ)器遠(yuǎn)離核心。 芯片內(nèi)部的308KB RAM中,其中L1(一級(jí)緩存)52KB,L2(二級(jí)緩存)256KB；外部地址訪問空間可以高達(dá)768MB,通過EBIU(External Bus Interface Unit,外部總線接口單元)進(jìn)行管理。EBIU支持多種內(nèi)存,如SDRAM、SRAM、ROM、EPROM、FLASH、FIFO等。內(nèi)存地址的具體配置空間如圖1所示。

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　　L1作為DSP的一級(jí)緩存,可以與DSP的內(nèi)核一樣,運(yùn)行在300Mbps的高速上。它分為三部分:16KB的Instruction Ram(指令存儲(chǔ)器)、,兩塊16KB的Data Ram(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)、4KB的Scratchpad Ram(中間結(jié)果緩存)。指令存儲(chǔ)器既可以作為SRAM,也可以配置為4路聯(lián)合設(shè)置的Cache。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能夠配置成雙路聯(lián)合設(shè)置的Cache或者SRAM；中間結(jié)果緩存只能作為SRAM使用。指令緩存和數(shù)據(jù)緩存都可以通過DMA方式灌入數(shù)據(jù),但是對(duì)于中間結(jié)果緩存這種方式不能使用。

　　L2作為DSP的二級(jí)緩存,是一個(gè)統(tǒng)一的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求同時(shí)存放代碼和數(shù)據(jù)。L2具有DSP核心同樣的帶寬,但是延遲時(shí)間較長,訪問L2單個(gè)獨(dú)立的地址時(shí)系統(tǒng)需要經(jīng)過7個(gè)周期的延時(shí),這時(shí)它的訪問速度在42.8Mbps左右。所以如果程序比較大,必須在L2中編寫程序時(shí),通常將L1配置為L2的Cache,這樣,速度可以大大加快。

　　21535支持的片外存儲(chǔ)器種類很多,值得一提的是它的SDRAM控制器。21535集成的SDRAM控制器能夠以fSCLK(系統(tǒng)時(shí)鐘,為核心時(shí)鐘的若干分頻)的速度,與多達(dá)4個(gè)Bank的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SDRAM或者DIMM接口。每個(gè)Bank可以配置為16MB～128MB的存儲(chǔ)器,符合PC133 SDRAM的標(biāo)準(zhǔn)。

　　存儲(chǔ)器的DMA控制器提供高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力,它能夠在內(nèi)部L1/L2存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器(包括PCI存儲(chǔ)空間)之間執(zhí)行代碼或者數(shù)據(jù)的塊傳輸。

2 DMA寄存器的配置

　　為了描述Mem DMA序列,DMA控制器使用一套名為描述子塊" title="子塊">子塊(Descriptor)的參數(shù)。當(dāng)需要后繼的DMA序列時(shí),這些描述子塊被鏈接起來。這樣,一個(gè)DMA序列完成時(shí)能夠自動(dòng)初始化下一個(gè)序列,并將其啟動(dòng)。如果不需啟動(dòng)下一個(gè)序列,只要將其指向一個(gè)內(nèi)容為0的地址空間即可。如果下一次鏈接指向原描述子塊,則DMA完成后暫停。為訪問整個(gè)ADSP-21535的地址空間,源地址和目的地址描述子塊采用了全32位地址的基指針。兩個(gè)描述子塊均為5個(gè)字的連續(xù)空間,需要注意的是該連續(xù)空間必須定義在L2范圍內(nèi)。描述子塊內(nèi)包含的內(nèi)容如圖2所示。

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　　Mem DMA規(guī)定,描述子塊所在的首地址必須傳入相關(guān)的寄存器。描述子塊首地址的高16位裝入DMA_DBP寄存器(DMA Descriptor Base Pointer Register,DMA描述子塊基地址寄存器)內(nèi)。由于該寄存器嚴(yán)格限定必須在0xF000～0xF003,這就限定了源和目的地址描述子塊只能定義在L2存儲(chǔ)器內(nèi),并且高16位地址相同。

　　描述子塊首地址的低16位放在兩個(gè)寄存器中,源地址描述子塊低16位裝入MDS_DND寄存器(Source Memory DMA Next Descriptor Pointer Register,DMA源地址下一個(gè)描述子塊寄存器),而目的地址描述子塊低16位裝入MDD_DND寄存器(Destination Memory DMA Next Descriptor Pointer Register,DMA目的地址下一個(gè)描述子塊寄存器)。其說明如圖3所示。

在描述子塊的地址傳入相應(yīng)寄存器后,后面的四項(xiàng)先配置,然后設(shè)置第一項(xiàng)。也就是對(duì)管理DMA啟動(dòng)參數(shù)的寄存器進(jìn)行參數(shù)配置。兩個(gè)配置寄存器" title="配置寄存器">配置寄存器的詳細(xì)內(nèi)容如圖4所示。例如當(dāng)目的地址寄存器為0x8003,源地址寄存器為0x8001時(shí),傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總長=DMA傳輸?shù)拈L度×字。需要注意的是,雖然此時(shí)傳輸以16位(字長)傳輸,但DMA的帶寬是32位,剩下的帶寬資源將被浪費(fèi)。8位傳輸時(shí),帶寬資源利用率更低。

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　　下面,以一個(gè)具體的32位DMA例子說明上面的描述子塊和多個(gè)寄存器的使用方法。

3 32位DMA的例程

　　R0.H = 0x8009；?? 　　　　//DMA源配置字,設(shè)置為32位傳輸

　　R0.L = 0x800；???? 　　　　//DMA長度

　　R1.L = 0x2000； ? 　　　　//DMA源地址低16位

　　R1.H = 0xf000； ? 　　　　//DMA源地址高16位,這里指向L2

　　R2.L = RAM_READ；?? 　　　//DMA源描述子塊首地址低十六位,DMA讀

　　R2.H = 0x800b；?? 　　　　//DMA目的配置字,設(shè)置為32位傳輸

　　R3.L =0x0000；??? 　　　　//DMA目的地址低16位

　　R3.H =0xff90； ?? 　　　　//DMA目的地址高16位,這里指向L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器-Bank B

　　R4.L = RAM_WRITE； 　　　 //DMA目的描述子塊首地址低十六位,DMA寫

　　P0.L = RAM_READ；?? 　　　//將32位的源描述子塊的地址載入P0

????P0.H = RAM_READ；

　　P1.L = RAM_WRITE；?????? //將32位的目的描述子塊的地址載入P1

??? P1.H = RAM_WRITE；

　　W[P0+0x2] = R0；???????? //將DMA長度寫入源描述塊第二個(gè)字中

　　[P0+0x4] = R1； ???????? //將DMA的32位源起始地址寫入源描述塊第三第四個(gè)字中

　　W[P0+0x8] = R2.L；?????? //將下一個(gè)源描述子塊的地址寫入源描述塊第五個(gè)字中

　　W[P1+0x2] = R0；???????? //將DMA長度寫入目的描述塊第二個(gè)字中

　　[P1+0x4] = R3； ???????? //將DMA的32位目的起始地址寫入目的描述塊第三第四個(gè)字中

　　W[P1+0x8] = R4；???????? //將下一個(gè)目的描述子塊的地址寫入目的描述塊第五個(gè)字中

　　W[P0] = R0.H； ????????? //將DMA源配置字寫入源描述塊第一個(gè)" title="第一個(gè)">第一個(gè)字中

　　W[P1] = R2.H； ????????? //將DMA目的配置字寫入目的描述塊第一個(gè)字中

　　R6 = P0；????????????????//將P0的值同時(shí)存在R6內(nèi)

　　P2.L = 0x390A； ???????? //將DMA源描述子塊配置寄存器的地址傳給P2

　　P2.H = 0xFFC0；

　　W[P2] = R6.L； ???????? //將DMA源描述子塊所在地址的低16位傳給P2指向的地方

　　P3.L = 0x4880；?????????//將描述子塊基地址寄存器的地址傳給P3

　　P3.H = 0xFFC0；????????????????????????????????????

　　W[P3] = R6.H；?????????? //將DMA源描述子塊所在地址的高16位傳給基地址寄存器

　　P4.L = 0x380A；????????????????

　　P4.H = 0xFFC0；? ??????? //將DMA目的描述子塊配置寄存器的地址傳給P4

　　R6 = P1；????????????????//將P1的值轉(zhuǎn)存到R6

　　W[P4] = R6.L； ????????? //將目的描述子塊所在地址的低16位傳給配置目的地址寄存器

　　P5.L = 0x3902

　　P5.H = 0xFFC0；? ?????? //將DMA源地址配置寄存器所在地址傳給P5

　　R6 = W[P5]；

　　BITSET(R6，0)；??????? ?//設(shè)置R6的最低位為1,表示準(zhǔn)備啟動(dòng)讀DMA

　　I0.L = 0x3802；

　　I0.H = 0xFFC0；?? ???? ?//將DMA目的地址配置寄存器的地址傳給I0

　　R7.L = W[I0]；

　　BITSET(R7，0)；??????? ?//設(shè)置R7的最低位為1,表示準(zhǔn)備啟動(dòng)寫DMA

????W[P5] = R6；??????????? //將R6和R7的低16位寫入兩個(gè)配置寄存器中,真正啟動(dòng)DMA

????W[I0] = R7.L；???????????????????????????????????????

　　DMA_WAIT：????????????? //等待DMA結(jié)束

　　R6 = W[P1]；??????????? //根據(jù)寫描述子塊第一個(gè)字的最高位判斷描述子塊的所有權(quán)

????cc = bittst(R6，15)；???

　　IF cc JUMP DMA_WAIT；?? //如果為1,表示還在DMA狀態(tài),繼續(xù)判斷,等待

????????????????????????????????????????????????

　　RTS；

　　.align 4；?????????????? //在L2空間范圍內(nèi)定義兩個(gè)描述子塊,要求4個(gè)字節(jié)對(duì)齊

????.BYTE2 RAM_READ[5]；????????????????????????

　　.align 4；

　　.BYTE2 RAM_WRITE[5]；

????值得注意的是,在上述DMA例程中,筆者使用了查詢等待方式,但中間完全可以插入其他指令,例如DSP還可以同時(shí)作雙乘加和兩次32位取數(shù)。只要不訪問正在DMA讀寫的地址區(qū)域,沒有任何影響。這意味著,在系統(tǒng)DMA的同時(shí),DSP可以同時(shí)進(jìn)行其他操作,這一點(diǎn)對(duì)于提高DSP的效率至關(guān)重要。

4 各種內(nèi)存空間的DMA訪問指標(biāo)測試及分析

? 根據(jù)以上配置,筆者對(duì)ADSP-21535的DMA性能進(jìn)行了比較詳盡的測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

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? 從表1中的實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出,DMA的速度均在18.7M雙字/秒以上,最高速度達(dá)46.9M雙字/秒,可以滿足工程中高速采集的需要。從表中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

　　(1)DMA雙向速度不對(duì)稱,將源地址和目的地址交換后,速度會(huì)發(fā)生變化；

　　(2)低速向高速區(qū)域傳輸時(shí),要比反向傳輸快；

　　(3)同類區(qū)域DMA一般比區(qū)域之間DMA要慢。如L1 DMA到L1,比L1 DMA到L2和SDRAM都要慢一些。其它區(qū)域也有類似現(xiàn)象。

　　(4)高速區(qū)域DMA速度并不一定快,如L1區(qū)域DMA速度總體表現(xiàn)反而最低。

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參考文獻(xiàn)

1 AD公司. ADSP-21535 Blackfin DSP Hardware　Reference. 2002