Blackfin533的DMA技術及其在圖像處理中的應用
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關鍵詞：Blackfin533；DMA；實時圖像處理；數據傳輸
直接存儲器存取（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ，簡稱ＤＭＡ?對計算機系統是非常重要的。它可以使ＣＰＵ在運行指令的同時從外部存儲器或設備中存取數據，也可以在ＣＰＵ不參與的情況下，由專用的ＤＭＡ控制器存取數據。
１ Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３中的ＤＭＡ
Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列ＤＳＰ產品包括ＡＤＳＰ－ＢＦ５３５和ＡＤＳＰ－ＢＦ５３３／２／１兩類，都是ＡＤ公司最新的基于微信號體系結構的ＤＳＰ，這些器件含有兩個ＭＡＣ，并集成了大量的外圍設備和存儲器接口，每秒運算速度最高可達１２００ＭＭＡＣ，因而比較適用于各種視頻、音頻、通信領域。
ＢＦ５３３處理器有多個獨立的ＤＭＡ控制器，它能以最小的處理器內核消耗支持數據的自動傳輸。ＤＭＡ傳輸可以發生在ＢＦ５３３處理器的內存與支持ＤＭＡ的任一外設之間。此外，ＤＭＡ還可以完成有ＤＭＡ功能的外設與連接在外部存儲器接口上的外部設備（包括ＳＤＲＡＭ控制器和異步存儲控制器）之間數據傳輸。ＢＦ５３３處理器可利用ＤＭＡ在存儲器空間內部，以及在一個存儲器空間和外圍設備之間傳輸數據，并可以指定傳輸操作，以便完全集成化的ＤＭＡ控制器獨立于處理器完成數據傳輸時返回到正常的處理。
ＢＦ５３３處理器的ＤＭＡ控制器同時支持１Ｄ和２Ｄ ＤＭＡ傳輸，其ＤＭＡ傳輸初始化可以通過寄存器狀態描述符塊中的一組參數來實現。２Ｄ ＤＭＡ行和列最大可支持６４ｋ６４ｋ個元素任意數。而且列的步長可小于行的步長，并可執行交叉存取的數據流。這一個特點在某些視頻應用場合特別有用。
Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３有１２個通道ＤＭＡ控制器。有ＤＭＡ功能的外設包括ＳＰＯＲＴｓ、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ和ＰＰＩ。每個支持ＤＭＡ的外設至少有一個專用的ＤＭＡ通道。ＤＭＡ控制器可以完成的幾種數據傳輸類型如下：
（１）存儲器和存儲器之間（ＭＤＭＡ）；
（２）存儲器和串行外設接口（ＳＰＩ）之間；
（３）存儲器和串行接口 （ＳＰＯＲＴ）之間；
（４）存儲器和通用異步收發器ＵＡＲＴ接口之間；
（５）存儲器和并行外設接口（ＰＰＩ）之間；
ＢＦ５３３處理器上的ＤＭＡ傳輸可以基于描述符，也可以基于寄存器。基于描述符的ＤＭＡ傳輸需要用存放在存儲器內的一組參數來初始化一個ＤＭＡ序列。這種傳輸允許多個ＤＭＡ序列鏈接在一起。在基于描述符的ＤＭＡ操作中，一個ＤＭＡ通道可以通過編程自動建立起來，并可在當前序列完成后開始另一個ＤＭＡ傳輸。基于寄存器的ＤＭＡ允許處理器直接對控制寄存器編程來啟動一個ＤＭＡ傳輸。傳輸完成后，為了連續傳輸數據，也可以用它們原來設置的值自動更新控制寄存器。
２ ＤＭＡ在數字圖像處理中的應用
ＤＭＡ是數字信號處理器（ＤＳＰ）中用于快速數據交換的重要技術，它具有獨立于ＣＰＵ的后臺批量數據傳輸能力，能夠滿足實時圖像處理中的高速數據傳輸要求。由于圖像處理的原始數據量很大，同時圖像處理中也會產生等量的中間數據，對于片內存儲資源有限的高速ＤＳＰ芯片來說，一般需要借用外部存儲空間。為了提高系統的實時處理能力，可以將數據在不同存儲空間的轉移任務交給ＤＭＡ來完成，從而使ＣＰＵ只專注于數據的計算。同時ＤＭＡ對數據的重排功能可以優化圖像數據在內存中的存儲，這不僅可以提高內部存儲空間的利用效率，也可以提高數據的傳輸效率。雖然圖像數據的傳輸也可由軟件實現，但會消耗大量的ＣＰＵ時鐘周期，從而使ＤＳＰ的高速性能難以發揮。而由ＤＭＡ來進行同樣的工作卻不占用ＣＰＵ的時鐘周期。
ＢＦ５３３內部專門為適應視頻數據處理而增加的二維ＤＭＡ及相關寄存器有以下幾種：
（１）配置寄存器（ＤＭＡｘ ＣＯＮＦＩＧ／ＭＤＭＡ ｙｙ ＣＯＮＦＩＧ）主要用來設置二維ＤＭＡ方式使能和中斷產生方式，其中中斷可以在一行結束時產生，也可以在整個ＤＭＡ結束時產生。
（２）內層循環計數寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＣＯＵＮＴ）用于在二維ＤＭＡ時保存內層循環的數目（或稱行數），該數目必須大于等于２。
（３）內層循環地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ）用于在二維ＤＭＡ時保存每一次內層循環計數器加１之后（也就是在內層每傳輸完一個元素，但不包括每個內層的最后一個元素），ＤＭＡ操作（讀或寫）地址在內存中的增量，此增量應該是二維ＤＭＡ操作的數據單元長度的整數倍，如二維ＤＭＡ進行１６位讀寫時，此增量必須是２Ｎ?Ｎ≠０?倍。
（４）外層循環計數寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＣＯＵＮＴ）：該寄存器僅在二維ＤＭＡ中使用，任務是保存外層循環的數目（或稱位列數）。
（５）外層循環地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ）：該寄存器也僅在二維ＤＭＡ中使用，任務是保存每次外層循環計數器加１后，ＤＭＡ操作地址在內存中的增量，該值可以為負，且應為二維ＤＭＡ操作數據單元長度的整數倍。３ 應用舉例
存儲器的有效利用對系統設計者來說是需要著重考慮的問題。外部存儲器比較昂貴，而且其存取時具有較長的延遲。為了克服上述問題，Ｂｌａｃｋｆｉｎ處理器片上集成有ＳＤＲＡＭ控制器，可支持片外存儲器。因為視頻數據率要求非常苛刻，幀緩沖區必須設立在外部存儲器上。這樣，當處理器操作一個緩存時，另一個緩存便可以存儲通過ＰＰＩ并用ＤＭＡ傳輸的數據，見圖１。
下例可將ＢＦ５３３的ＰＰＩ接口上從圖像采集芯片ＡＤＶ７１８３傳送過來的視頻流中的一場視頻圖像（７２０２８８像素）存儲到外部存儲器ＳＤＲＡＭ中。
具體程序代碼如下：
Ｉｎｉｔ_ＤＭＡ() ?
{
＊ｐＤＭＡ０ ＳＴＡＲＴ ＡＤＤＲ ＝ ０ｘ０; ／／把圖像存放在ＳＤＲＡＭ中的起始地址／／０ｘ００００００００處；
＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＣＯＵＮＴ ＝ ７２０; ／／圖像的行數；
＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／在內層每次傳完一個元素后地址的增量，因為每次傳輸３２位，所以是０ｘ４?
＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＣＯＵＮＴ ＝７２; ／／外層循環的數目，因為總的緩存為７２０２８８字節,所以２８８／４＝７２?
＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／傳完一行數據后ＤＭＡ的地址增量，因為是存儲空間是連續的，所以是０ｘ４?
＊ｐＤＭＡ０ ＰＥＲＩＰＨＥＲＡＬ ＭＡＰ ＝ ０ｘ０?
／／外設ＰＰＩ的ＤＭＡ開啟；
＊ｐＤＭＡ０ ＣＯＮＦＩＧ ＝ ＤＭＡＥＮ ｜ＤＩ ＥＮ｜ＷＮＲ｜ＷＤＳＩＺＥ ３２｜ＲＥＳＴＡＲＴ｜ＤＭＡ２Ｄ｜ＤＩ ＥＮ;
／／使能ＤＭＡ，整個ＤＭＡ結束產生中斷，存儲器寫。３２位傳輸，重新開始前丟失ＦＩＦＯ中的數據。
}
當一個完整的圖像幀存放在ＳＤＲＡＭ后，數據將傳輸到內部Ｌ１數據存儲器中，這樣，處理器內核用一個時鐘周期的延遲就可以訪問到數據。為此，ＤＭＡ控制器可以用二維傳輸獲得像素塊。圖２所示是一個１６１６“宏塊”的傳輸示意圖。
圖2
２Ｄｔｏ１Ｄ_ＤＭＡ()
{
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ;
ｐ＝０ｘ０;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ＝ｐ＋Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ;
／／Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ是Ｌ１緩沖區的地址
＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝６４;
／／１６１６／４＝６４；
＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;
ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ ＝ｐ＋Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ; ／／Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ是１６１６圖像塊在ＳＤＲＡＭ中的地址
＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝４;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＣＯＵＮＴ＝１６;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＭＯＤＩＦＹ＝７０８;
／／ ７２０－１６＋４＝７０８
＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＤＭＡＥＮ｜ＤＭＡ２Ｄ;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＤＩ ＥＮ｜ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＷＮＲ｜ＤＭＡＥＮ;
＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＩＲＱ ＳＴＡＴＵＳ＝０ｘ１;
／／消除中斷；
４ ＢＦ５３３中ＤＭＡ的使用注意事項
下面兩種情況會導致ＤＭＡ總線錯誤：
（１）數據沒有對齊
當要傳送的數據與當前地址不相符時，可能發生數據沒有對齊的錯誤。數據不對齊包括有情況：第一是當ＤＭＡ ＣＯＮＦＩＧ 寄存器的ＷＤＳＩＺＥ為１（１６ｂｉｔ）時，地址的最低位不等于０；第二是當ＷＤ-ＳＩＺＥ為２（３２ｂｉｔ）時，最低兩位地址不等于００。如果出現上述錯誤，ＩＲＱ寄存器中的位２應被置位。
（２）非法存儲器訪問
發生非法存儲器訪問時（如訪問ＭＭＲ空間），處理器將得到一個錯誤響應并導致以下結果：第一是ＤＭＡ通道會結束當前的單個或突發式傳送；第二是ＤＭＡ信道的使能位（配置字的ｂｉｔ０）將被清零；第三是產生一個總線錯誤中斷并使ＩＲＱ 狀態寄存器中的位２被置位。
還有一點就是要保證對ＭＤＭＡ中ＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ（ＭＤＭＡ Ｓ１ ＣＯＮＦＩＧ?位的寫入一定要在寫入ＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ(ＭＤＭＡ_Ｄ１_ＣＯＮＦＩＧ)之前。
５ 總結
一般情況下，圖像處理系統的最大特點是運算數據量大，數據量往往大于片內存儲器容量，所以必須借助ＤＭＡ在片內高速存儲區與片外低速存儲區之間進行數據交換，以提高數據處理速度。多數情形下，數據傳輸所花的時間往往超過數據處理的時間。因此，合理使用ＤＭＡ來提高數據傳輸率，可起到很好的作用。
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