深入了解PSoC5：DMA使用基礎

引言

PSoC5是Cypress可編程片上系統PSoC（Programmable System on Chip）家族中功能最強大的一個(gè)產(chǎn)品系列；采用工作頻率高達 80 MHz 的 32 位三段流水線(xiàn)式 ARM Cortex-M3 處理器構建， 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片內提供了極其豐富和業(yè)內獨一無(wú)二的高性能可編程模擬和數字外設子系統，允許將任何模擬或數字信號（包括可編程時(shí)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模塊。

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

PSoC5外設架構及DMA簡(jiǎn)介

PSoC5芯片內部集成了豐富的模擬與數字外設子系統，如圖1所示，由外設集線(xiàn)器PHUB（Peripheral Hub）負責將不同的外設子系統之間以及外設子系統與CPU連接起來(lái)。PHUB內的連接數據總線(xiàn)共有8條，稱(chēng)之為spoke， 有16位和32位兩種數據寬度。每個(gè)spoke都可以通過(guò)PHUB連接至不同的外設子系統或CPU。PHUB內包含的DMAC（DMA控制器：DMA Controller）能夠使不同的外設子系統間通過(guò)spoke傳遞數據而不需要CPU的介入，可以極大的節省CPU資源，提高處理速度。

PSoC片內通過(guò)PHUB的數據傳遞可以分為兩種：CPU與外設子系統之間的數據傳遞；不同的外設子系統之間的數據傳遞，這類(lèi)傳遞可以在DMAC的控制下直接通過(guò)spoke進(jìn)行，不需要CPU的主動(dòng)介入。因此，CPU與DMAC可以在同一時(shí)刻訪(fǎng)問(wèn)不同的spoke；如果二者在同一時(shí)刻訪(fǎng)問(wèn)同一spoke，將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)spoke仲裁（arbitration）。

DMAC主要通過(guò)24個(gè)DMA通道（Channel）和128個(gè)任務(wù)描述符TD（Transaction Descriptor）來(lái)實(shí)現外設子系統間數據直接存儲任務(wù)的設定與管理。

DMA通道：每個(gè)DMA通道定義一個(gè)DMA傳輸類(lèi)型，包括數據源和目的外設子系統的類(lèi)型及高16位地址，每次傳輸的字節數等。

任務(wù)描述符TD：在DMA通道配置定義的基礎上，TD進(jìn)一步定義了一個(gè)DMA傳輸的總字節數（或重復傳輸的次數），傳輸過(guò)程中及結束時(shí)需要執行的動(dòng)作。此外，每個(gè)TD配置中還定義了在本TD任務(wù)結束后指向的下一個(gè)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限定了數據源和目的外設子系統的類(lèi)型，以及所傳輸數據的長(cháng)度。DMA傳輸任務(wù)的具體細節主要由任務(wù)描述符TD進(jìn)行配置。每個(gè)DMA通道可以有多個(gè)TD，構成一個(gè)TD鏈表來(lái)完成比較復雜的多數據DMA傳輸。

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

DMA配置原理與方法說(shuō)明

由上一節簡(jiǎn)介可知，外設子系統間數據的DMA傳輸任務(wù)配置應該分為DMA通道配置與任務(wù)描述符TD配置兩個(gè)方面。

① DMA通道配置

圖3-1所示為DMA通道配置的主要內容和參數。

Burst Count(1 to 255)：DMA傳輸一次數據稱(chēng)為一個(gè)burst。此參數定義了DMA每次待傳輸數據的寬度，單位為字節。傳輸開(kāi)始后，DMA應將此參數定義的所有字節全部傳輸完，才能釋放相應的spoke.

Request Per Burst (0 or 1)： 若一個(gè)DMA任務(wù)需要傳輸的總數據量超過(guò)一個(gè)burst時(shí)，應分成多次發(fā)送。當此參數設為0時(shí)，所有后續的burst將會(huì )在其前一個(gè)burst完成后自動(dòng)進(jìn)行而不再需要單獨的request請求。因此只有在第一個(gè)burst開(kāi)始時(shí)需要唯一的request請求。當此參數設為1時(shí)，每個(gè)burst傳輸時(shí)都需要獨立的request請求。

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

Preserve TD (0 or 1)： 在一個(gè)request請求完成后，下一個(gè)request請求開(kāi)始時(shí)可能會(huì )需要其TD的一些信息。此參數為0不保存TD的實(shí)時(shí)信息，為1則在每request請求結束后保存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配置的主要內容和參數。

Transfer Count(1 to 4095)：此參數定義了一個(gè)DMA任務(wù)需要傳輸數據包含的總字節數。若待傳輸單個(gè)數據的寬度（由 Burst Count定義）為N，需要傳輸的數據個(gè)數（即burst數量）為M，那么Transfer Count參數應當為M * N。

TD Property：此參數包含多個(gè)配置項，如下所示：

Increment Source Address: 在每個(gè)burst傳輸結束后遞增源數據地址。

Increment Destination Address: 在每個(gè)burst傳輸結束后遞增目的數據地址。在DMA傳輸任務(wù)的源數據或目的數據地址超過(guò)1個(gè)時(shí)，這兩個(gè)命令項必須被配置。

Swap Enable：此選項只針對PSoC3應用。由于PSoC3的外設寄存器采用小端（Little Endian）格式，而PSoC3應用程序的Keil編譯器對存儲器內的變量采用大端（Big Endian）格式。因此當DMA在外設寄存器與存儲器間傳輸2字節或4字節數據時(shí)，DMA必須交換傳輸數據的高低字節。

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

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

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

Next TD：指向TD鏈表中相鄰的后續TD的指針。

③ 具體配置方法

DMA通道與任務(wù)描述符TD的各項參數配置共有兩種方法，一是通過(guò)菜單欄的DMA向導（Wizard）提供的選項進(jìn)行設置，另一種是通過(guò)Creator提供的應用程序接口A(yíng)PI函數來(lái)進(jìn)行配置。關(guān)于PSoC Creator集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用與編程方法，請參考本文的參考文獻和登陸Cypress網(wǎng)站。

1）DMA向導配置法

首先將DMA器件（ component）放入Creator 2.2 的原理圖界面中，并完成系統原理圖后，點(diǎn)擊菜單欄 Tools -> DMA Wizard，打開(kāi)配置對話(huà)框，點(diǎn)擊 Next，出現如圖4所示界面。在此界面中可以配置數據源及目的地址等參數；

點(diǎn)擊 Next后出現圖5所示界面，根據工程實(shí)際要求進(jìn)一步配置其余參數，然后點(diǎn)擊Next，進(jìn)入圖6所示界面，自動(dòng)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(huì )產(chǎn)生兩個(gè)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。配置過(guò)程主要步驟如下：

1、啟動(dòng)（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(gè) TD實(shí)例

TD_Handle = CyDmaTdAllocate();

3、設定 TD傳輸配置項

CyDmaTdSetConfiguration(TD_Handle,Transfer_Count,Next_TD,TD_Property);

4、設定TD傳輸數據源及目的地址

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

5、設定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轉換數據的DMA傳輸實(shí)例

對于參數緩慢變化且有干擾伴隨的ADC應用來(lái)說(shuō)，并不需要在每個(gè)轉換周期完成后實(shí)時(shí)讀取轉換結果。比較好的解決方法是將一段時(shí)間內的采樣結果自動(dòng)存放在某個(gè)地方，然后再由CPU一次性讀取，這樣既可以節約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(dòng)將一組采樣結果存放到RAM中的角色，示意圖如圖6所示。

ADC轉換完成產(chǎn)生EOC信號時(shí)，DMA將2字節的ADC轉換結果從ADC寄存器 搬至片內RAM的緩沖數組中，達到設定的數量時(shí)，DMA產(chǎn)生一個(gè)nrq完成信號觸發(fā)中斷，由CPU讀取并處理這一組信號。相應的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A(yíng)DC轉換結果為10位，所以Burst Count為2；本實(shí)例設定為一次按鍵DMA搬運一個(gè)數據后即關(guān)閉，故Request Per Burst 為1；而后續burst傳輸必須和當前burst連續，所以Preserve TD為1。

圖9為任務(wù)描述符TD配置示意。Transfer Count設定為N × Burst Count；在每個(gè)burst完成后，需要Increment Destination Address；且傳輸數量達到Transfer Count后，將會(huì )Generate DMA done event來(lái)觸發(fā)中斷程序。

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

小結

本文主要介紹了PSoC5片內DMA的主要原理，配置過(guò)程與方法，以及如何使用DMA進(jìn)行具體的工程設計。采用DMA進(jìn)行數據直接傳輸與存儲，可以不占用CPU的處理時(shí)間，極大地提高PSoC5的處理速度和效率。DMA可以在數據通訊與大規?，F場(chǎng)數據采樣應用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，幫助用戶(hù)使用PSoC5設計出簡(jiǎn)潔高效的產(chǎn)品。