Zynq PS DMA應用筆記

Hello,Panda

Zynq-7000系列器件PS端的DMA控制器採用ARM的IP核DMA-330（PL-330）實現。有關DMA控制器的硬體細節及相關指令集、程式設計例項內容參考ARM官方文件：

      DDI0424D：dma330_r1p2_trm.pdf

      DAI0239A：dma330_example_programs.pdf

本文開發環境為Xilinx SDK2015.2，DMA庫版本為dmaps_v2_1。

1 結構特點

DMA控制器具有以下的特點：

n      8個獨立的通道，4個可用於PL—PS間資料管理，每個通道有1024Byte的MFIFO；

n      使用CPU_2x 時鐘搬運資料，CPU_2x = （CPU frq/6）*2；

n      執行自定義記憶體區域內的DMA指令執行DMA；

n      AHB控制暫存器支援安全和非安全模式；

n      每個通道內建4字Cache；

n      可以訪問SoC的以下對映實體地址：

DDR、OCM、PL、Linear QSPI Read、SMC和M_AXI_GP裝置，訪問裝置的互聯結構如圖1所示。

                                                                               圖1 Zynq 訪問互聯結構圖

從圖1可以看出DMA控制器可以訪問連線到Central Interconnect上的所有裝置，並提供了四個通道的外設管理介面可用於控制PL的資料搬運。

 Zynq系列器件中DMA控制器採用ARM PL-330 IP和r1p1版，結構框圖如圖2所示。

                                                       圖2 Zynq DMA控制器結構框圖

如圖2所示，DMA控制器由指令加速引擎，AXI Master資料介面，AXI APB暫存器訪問介面以及可以連線到PL的外設請求介面，資料緩衝FIFO和控制及狀態產生單元組成。

從圖2可以看到，DMA PL330的設計思想是：DMA控制器通過DMA指令執行引擎執行自己的指令，並將執行狀態通過APB匯流排和中斷等形式反饋給CPU，達到資料搬運不佔用CPU的目的。

DMA控制器共有八個通道，其中四個通道負責互聯到Central Interconnectcun儲存單元上的資料搬運；四個資料通道為外設請求介面，可用於PL AXI互聯介面的資料訪問管理。

每個DMA通道都執行自己的指令，擁有自己的獨立執行緒，通道間互不影響。指令執行引擎有自己獨立的Cache線。

2 程式設計模型

本文不考慮外設請求介面，DMA控制器程式設計分為以下幾個部分：

u     DMA控制器初始化；

u     組織DMA引擎執行程式碼；

u     啟動或停止DMA傳輸；

u     異常處理。

2.1 DMA控制器初始化

DMA控制器初始化，DMA初始化包括配置時鐘、復位，安全狀態，中斷服務等，如下表1所示。

表1 DMAC初始化配置

一般的時鐘和復位都在FSBL裡面完成，使用者只需要設定DMA的APB匯流排安全模式和中斷服務函式即可。特別要注意對安全模式的設定，否則在非安全模式下訪問安全模式暫存器無任何有效應答。

2.2  組織DMA引擎執行程式碼

 Xilinx SDK（gcc）不支援編譯DMA引擎指令，因此需要自己對照ARM官方文件”DDI0424D_dma330_r1p2_trm.pdf”對指令集的描述一條一條的組織指令，特別注意執行指令的長度應為Cache線的整數倍，不足的用NOP補齊。

下面以DMAMOV指令為例，說明如何編寫指令引擎執行的機器碼，圖3是DMAMOV指令的編碼。

                                                                 圖3 DMAMOV指令的編碼

本條指令編碼由48位（6位元組）構成，如圖3中的編碼：

①   rd[2:0]：表示暫存器地址，000為源地址暫存器SAR，001為通道控制暫存器CCR，DAR為目的地址暫存器。

②   imm[31:0],為以上三個暫存器的配置值。

CCR為AXI匯流排配置暫存器，參見文件DDI0424D中 3.3.15 Channel Control Registers章節的描述；有關AXI匯流排協議介面描述自行參照ARM官方文件IHI 0022D：AMBA AXI andACE Protocol Specification。

那麼生成DMAMOV機器碼的函式如下所示：

INLINE int XDmaPs_Instr_DMAMOV(char *DmaProg, unsigned Rd, u32 Imm)

{

    /*

     * DMAMOV encoding

     * 15 4 3 2 1 10 ... 8 7 6 5 4 3 2 1 0

     *  0 0 00 0 |rd[2:0]|1 0 1 1 1 1 0 0

     *

     * 47 ... 16

     *  imm[32:0]

     *

     * rd: b000 for SAR, b001 CCR, b010 DAR

     */

    *DmaProg= 0xBC;

    *(DmaProg+ 1) = Rd & 0x7;

    XDmaPs_Memcpy4(DmaProg+ 2, (char *)&Imm);

    return 6;

}

  那麼，看下面一段彙編程式碼，程式碼完成160K資料搬運，資料來源和目的都是DDR：

   DMAMOV  SAR  #SrcAddr

 DMAMOV DAR   #DstAddr

 DMAMOV CCR   #CCRn

 DMALP lc1 outerloop

      DMALP lc0 innerloop

          DMALD

          DMAST

      DMALPEND lc0

      DMALD

      DMAST

 DMALPEND lc1

 DMASEV

  DMAEND

 DMAC提供了兩個計數器lc0和lc1，都是8bit的，因此每層迴圈的次數都不能超過256次。指令執行到DMASEV時控制器發出完成中斷，執行過程中遇到任何錯誤或異常均發出Abrot中斷。

 在本例中SrcAddr=0x10000000，DstAddr = 0x11000000,資料長度為160KB，CCRn的引數如下：

   CCRn.EndianSwapSize = 0x00;

    CCRn.DstCacheCtrl   =0x00;

    CCRn.DstProtCtrl   = 0x00;

    CCRn.DstBurstLen   = 0x07;

    CCRn.DstBurstSize  = 0x03;

    CCRn.DstInc          =0x01;

    CCRn.SrcCacheCtrl  = 0x00;

    CCRn.SrcProtCtrl   = 0x00;

    CCRn.SrcBurstLen   = 0x07;

    CCRn.SrcBurstSize  = 0x03;

CCRn.SrcInc          =0x01;

那麼通過庫函式XDmaPs_BuildDmaProg生成的可執行機器碼就是：

[Addr]Code

[0] BC

[1] 0

[2] 0

[3] 0

[4] 0

[5] 10

[6] BC

[7] 2

[8] 0

[9] 0

[A] 0

[B] 11

[C] BC

[D] 1

[E] 77

[F] C0

[10] 1D

[11] 0

[12] 22

[13] 9

[14] 20

[15] FF

[16] 4

[17] 8

[18] 38

[19] 2

[1A] 3C

[1B] 6

[1C] 34

[1D] 0

[1E] 0

程式碼正常執行完成後產生SEV中斷，需在中斷服務程式中清除當前的中斷狀態。

2.3 啟動或停止DMA傳輸

在DMA控制器的諸多暫存器中，絕大部分僅是反映DMA引擎的當前執行情況，用於實施跟蹤執行狀態。至關重要的暫存器DBGSTATUS、DBGCMD、DBGINST0、DBGINST1用於控制DMA的開始、中斷和終止。也就是DMA指令中的DMAGO、DMASEV和DMAKILL，由於APB介面和DMA引擎間的非同步關係，指令執行存在一定的延時，在下發下條指令前一定要通過讀取DBGSTATUS的值輪詢上次指令是否執行完畢。

2.4 異常處理

遇到DMA Abrot中斷事件，都必須下發DMAKILL指令終止當前執行緒。

3 總結

ARM PL330 DMA控制器乍看來似乎難以理解，實際上它是把DMAC當成一個協處理來看待，有自己的指令執行引擎。使用者組織好執行機器碼後存到記憶體，使用者通過APB介面發出DMAGO指令告訴DMAC的指令執行引擎執行程式碼的首地址並啟動DMA指令引擎直到指令執行到DMAEND停止。

備註：比如將SDK安裝到了D:\Vivado\SDK目錄下，版本為2015.2，那麼DMAC參考示例程式碼就存放在“D:\Vivado\SDK\2015.2\data\embeddedsw\

XilinxProcessorIPLib\drivers\dmaps_v2_1\examples”路徑下。