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產品系列；采用工作頻率高達 80 MHz 的 32 位三段流水線式 ARM Cortex-M3 處理器構建， 提供業界廣泛采用的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內獨一無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，配置過程方法及具體的典型工程設計。

PSoC5外設架構及DMA簡介

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。PHUB內的連接數據總線共有8條，稱之為spoke， 有16位和32位兩種數據寬度。每個spoke都可以通過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，這類傳遞可以在DMAC的控制下直接通過spoke進行，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，將會產生一個spoke仲裁（arbitration）。

DMAC主要通過24個DMA通道（Channel）和128個任務描述符TD（Transaction Descriptor）來實現外設子系統間數據直接存儲任務的設定與管理。

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

任務描述符TD：在DMA通道配置定義的基礎上，TD進一步定義了一個DMA傳輸的總字節數（或重復傳輸的次數），傳輸過程中及結束時需要執行的動作。此外，每個TD配置中還定義了在本TD任務結束后指向的下一個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限定了數據源和目的外設子系統的類型，以及所傳輸數據的長度。DMA傳輸任務的具體細節主要由任務描述符TD進行配置。每個DMA通道可以有多個TD，構成一個TD鏈表來完成比較復雜的多數據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，如何確定需要幾個DMA通道，以及每個DMA通道需要幾個任務描述符TD將在下面的章節中進行論述。

DMA配置原理與方法說明

由上一節簡介可知，外設子系統間數據的DMA傳輸任務配置應該分為DMA通道配置與任務描述符TD配置兩個方面。

① DMA通道配置

圖3-1所示為DMA通道配置的主要內容和參數。

Burst Count(1 to 255)：DMA傳輸一次數據稱為一個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DMA任務需要傳輸的總數據量超過一個burst時，應分成多次發送。當此參數設為0時，所有后續的burst將會在其前一個burst完成后自動進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。當此參數設為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構成的鏈表，此參數為指向單個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。此參數為0不保存TD的實時信息，為1則在每request請求結束后保存TD的所有中間狀態及配置信息。

② 任務描述符TD配置

圖3-2所示為任務描述符TD配置的主要內容和參數。

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

TD Property：此參數包含多個配置項，如下所示：

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

Increment Destination Address: 在每個burst傳輸結束后遞增目的數據地址。在DMA傳輸任務的源數據或目的數據地址超過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，DMA必須交換傳輸數據的高低字節。

Swap Size：當Swap Enable配置為1時，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TD時，須配置此選項。1表示當前TD完成后，指針指向的下一個TD自動執行；0表示當前TD完成后，下一個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TD時，須配置此選項。1表示當前TD完成后，指針指向的下一個TD自動執行；0表示當前TD完成后，下一個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通道與任務描述符TD的各項參數配置共有兩種方法，一是通過菜單欄的DMA向導（Wizard）提供的選項進行設置，另一種是通過Creator提供的應用程序接口API函數來進行配置。關于PSoC Creator集成開發環境的使用與編程方法，請參考本文的參考文獻和登陸Cypress網站。

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，點擊菜單欄 Tools -> DMA Wizard，打開配置對話框，點擊 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；

點擊 Next后出現圖5所示界面，根據工程實際要求進一步配置其余參數，然后點擊Next，進入圖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。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、創建一個 TD實例

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傳輸實例

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

ADC轉換完成產生EOC信號時，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，DMA產生一個nrq完成信號觸發中斷，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ADC轉換結果為10位，所以Burst Count為2；本實例設定為一次按鍵DMA搬運一個數據后即關閉，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為任務描述符TD配置示意。Transfer Count設定為N × Burst Count；在每個burst完成后，需要Increment Destination Address；且傳輸數量達到Transfer Count后，將會Generate DMA done event來觸發中斷程序。

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

小結

本文主要介紹了PSoC5片內DMA的主要原理，配置過程與方法，以及如何使用DMA進行具體的工程設計。采用DMA進行數據直接傳輸與存儲，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可以在數據通訊與大規模現場數據采樣應用中發揮關鍵作用，幫助用戶使用PSoC5設計出簡潔高效的產品。