基于DMA的大批量数据快速传输模块设计

摘要 针对Altera公司SOPC解决方案中，DMA模块无法直接读／写FPGA外设的情况，提出了基于Avalon总线流传输模式的通用DMA读／写控制模块的设计，设计了两个自定义外设，实现了DMA对FPGA外设的高速数据存取和Nios II与FPGA大批量数据的快速传输。介绍了Avalon—MM总线规范，阐述了系统架构以及DMA读控制器的设计，测试结果表明，该方法是一种高效可行的解决方案。
关键词 SOPC；Nios II；DMA；Avalon总线

    DMA控制器作为SOPC设计中使用频率较高的IP核，可用于存储器或外设间进行批量数据传输，以提高系统数据吞吐量。然而，由于DMA控制器只支持对基于Avalon总线流传输模式的外设进行数据传输操作，对用户自定义外设不予支持。文中提出了一种基于Avalon总线流传输模式的通用DMA接口控制器设计，实现了NiosⅡ与FPGA的大批量数据快速传输，显著提高了系统的数据吞吐量。

1 Avalon—MM总线规范
    Avalon总线规范是为开发SOPC环境下外设而设计的，为SOPC设计者描述这些外设的端口提供了基础。Avalon总线有多种传输模式，其中，流传输模式为从端口提供了一种机制，用于控制来自主端口的传输，流传输模式的这些特点使其特别适合于DMA传输。
    流模式从端口传输模式的信号，除了在从端口传输中使用的信号之外，又引入了3个信号：readyfordata、dataavailable和endofpack et。其中，从端口通过设置Readyfordata有效来表示它已经准备好接收来自Avalon总线模块的写传输；使readyfordata无效表示写操作将引起数据上溢；从端口通过设置dataavailable有效来表示它已经能够为来自Avalon总线模块的读传输提供数据，dataavailable无效时读操作将引起数据下溢；在任何传输期间，流模式从端口都可以设置endofpacket信号有效，并通过Avalon总线模式传输给主端口。对于endofpack et信号的解释取决于用户设计，必须明确外设如何响应endofpacket信号的变化。

2 系统结构
    提出的NiosⅡ与外设进行大批量数据传输的结构如图1所示，当NiosⅡ需要从外设读入数据时，外设通过FIFO接口将数据写入DMA读控制模块，然后数据经DMA传输至NiosⅡ，反之，当NiosⅡ输出数据时，数据通过DMA传输至DMA写控制模块，FPGA逻辑通过FIFO接口从这个模块读取数据。DMA读／写控制模块的设计，是为了解决SOPC中DMA模块与FPGA片上FIFO不同接口间的数据传输问题，而在SOPC中，DMA模块使用的是支持流传输模式的Avalon—MM总线。DMA读／写控制模块主要完成两个功能：一是FIFO与DMA主端口之间的数据交互；二是作为一个NiosⅡ的外设，NiosⅡ处理器能够对此外设进行控制并能随时获取该外设的状态信息。

3 DMA读／写控制模块的设计
    DMA读／写控制模块作为系统结构的核心，其结构框图如图2所示。此模块包括两个Avalon—MM从端口：一个作为DMA从端口，用于处理DMA对此模块的数据读操作；另一个Avalon—MM从端口是NiosⅡ的控制从端口，用于NiosⅡ处理器对这个模块进行控制并且随时获取此模块的状态信息。模块还包括一个中断请求信号(IRQ)，当外设有数据需要读取时，可以使这个信号有效，从而通知NiosⅡ发起DMA读传输。另外，DMA读控制模块中还例化了一片FPGA片上FIFO作为数据上传FIFO，用于系统待上传数据的暂存。使用FIFO可以提高数据传输的吞吐量，同时简化FPGA硬件逻辑的操作，图2中的管道(Conduit)端口就是FPGA硬件逻辑操作FIFO的接口。

    对于与NiosⅡ处理器交互的Avalon—MM从端口，从NiosⅡ处理器的角度看，这个端口是一些寄存器的映射，即NiosⅡ对该模块的操作，是通过对模块内部的寄存器的操作完成的。根据功能需隶，DMA读控制模块中设计了3个寄存器，即状态寄存器status，控制字寄存器control和FIFO中已有数据个数寄存器usedw。
    DMA读控制模块的中断请求应当在两种情况下产生：一是此模块的数据源端将FIFO写满且外设中断使能有效；二是此模块的数据源端置数据包结束标志且外设中断使能有效。
    对于DMA从端口，使用的是带流控制信号的Avalon总线，DMA使用流控制信号中的dataavailable以及endofpacket两个总线信号。其中dataavailable表示外设是否准备好读操作，即FIFO是否非空；对于endofpacket信号，设计中使用这个信号来表示模块中数据包的结束，endofpacket信号与最后一个数据同时出现并持续1个时钟周期，DMA检测到endofpacket信号有效后将停止DMA传输。对于管道端口，这是最新的Avalon总线规范定义的接口形式，主要用于外设和外部逻辑进行交互。

    DMA读控制模块作为一个用户自定义外设，在将其添加到SOPC Builder外设库后，就可以在SOPCBuilder中调用此外设，图3表示了SOPC Builder中该外设与DMA的连接，图中fifo_control_0即为DMA读控制模块，可以看出，这个外设包含了两个Avalon—MM端口，其中一个连接至DMA控制器模块dma_0，而且SOPC Builder为这个外设分配了基地址和中断优先级。

4 测试验证
    DMA读控制模块测试时，FPGA内部产生数据源并通过外设管道接口把数据写入FIFO，外设中断时，DMA读取外设中的数据。测试时使用QuartusⅡ自带的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪进行测试，观察相应信号的波形。本测试的触发条件为signaltap_read上升沿触发，FIFO深度为1 024，FIFO数据宽度为16位，数据源为2～513共512个计数值，在Nios II的软件中读取600个数据，测试结果如图4所示。

    图4对应3幅图像，图4(a)表示DMA读取外设的测试数据的全局视图，后面两幅为局部放大结果，其中图4(b)是测试数据的开始段，图4(c)是测试数据的结束段。如图4(b)所示，在第一个时钟周期，DMA的读信号有效，在之后的第二个时钟周期，FIFO的数据总线出现数据2，之后是3，4，…，从图4(c)可以看出，最后一个数据是513，且DMA读取外设512个数据，只花费了约776个时钟周期，这充分显示了DMA高速的数据传输能力。
    对于调试模式下Nios II IDE的输出结果，如图5所示。由于测试数据太长，这里只给出测试数据的首部及尾部。图5(a)为测试数据的首部，使用printf()函数输出，第一个数据为2，接着是2，3，…，从图5(b)可看出最后一个有效数据是513，从512起的数据为0，这是数组的初始值，这与图4相对应。

    DMA写控制模块测试时，置FIFO数据宽度为16，NiosⅡ控制端口数据总线宽度为16，FIFO深度为2 048，在NiosⅡ软件中设置一个长度为2 048的数组，数组数据宽度为16位，初始化时把数据赋值为1～2 048的计数值，然后发起DMA写传输，把数据写入到DMA写控制模块中，在FPGA再用硬件语言读此外设中FIFO数据并在SignalTapⅡ中显示，其测试结果如图6所示。

    图6中，fifo_rd表示FPGA中硬件逻辑读取DMA写控制模块的读信号，fifo_readdata是外设中FIFO的数据总线信号，sigtap_test信号连接至外设中FIFO满、FIFO空以及waitrequest信号(LSB)，图6(a)表示了外部逻辑读取外设中FIFO的数据起始段，在读信号有效之前，sigtap_ test[2]信号是高电平，表示FIFO满，sigtap_test[0]为高，表示外设此刻不能响应DMA写入的数据，然后FPGA外部逻辑在检测到FIFO满后开始读取数据，在下一个时钟周期，FIFO数据总线上出现有效数据。图6(b)是读取FIFO时数据的结束段，最后一个数据为2 048，读取后，sig tap_test[1]为高电平，表示数据读空，这与NiesⅡ中软件写入DMA从而写入DMA写控制模块的数据是一致的，由此验证了模块设计的正确性。

5 结束语
    设计方案稳定可靠、传输速度高，具有一定的通用性，能满足NiosⅡ与外设之间的大批量数据传输，具有广泛的应用前景，同时，使用了FIFO作为缓存，进一步提高了数据吞吐量，具有较强的实用价值。