DSP中DMA操作的无阻塞请求实现

DMA在DSP应用中至关重要，本文给出了DMA操作非阻塞的请求方法，针对TMS320C620x，实现了与CSL中DAT接口一致的驱动模块QDAT，并指出了EDMA相关的高级特征。

在DSP中，DMA控制器实际是一个外设，与其他集成的串口、主机接口、片外内存接口等都在系统外设总线上，也与其他外设一样有一组相关的控制/状态/数据寄存器，CPU可以访问。

非常重要的一点是，DMA通道能够用于内存之间的数据传送。这里内存都是统一编址的，包括：片上内存，程序和数据分立；接在EMIF上的片外内存，如SDRAM；外设的寄存器也都是内存映射的(memory-mapped)，所以DMA通道也可以用于外设和内存之间，进行外设数据接收与发送。

在DSP的处理模型中，所有数据应位于片上供CPU处理，不鼓励CPU直接访问片外数据，因为CPU访问片外资源的时间较长，周期数也不确定，对于实时性和确定性不利。片上内存有时也能够配置成为缓存(cache)，缓存控制器会根据一定策略、使用DMA方式切换片外的数据进出缓存，最终使得用户能够在片上访问数据，这个过程对用户是透明的。正因为缓存的机制是透明的，所以也是很难控制的。比如，一段调用频率很高的代码很可能被不常用的部分清出缓存，因为它们映射相同，但随后又很快被调入，这样会造成局部的效率降低。

所以，如果能够明确掌握程序流或数据流的运转特征，不使用缓存模式，用户通过DMA进行自定义的调度，可能提高效率。有的处理器不具备缓存控制器，不支持片上内存作为缓存，如C6205的片上数据内存就不能够配置为缓存，所以主动使用DMA移动数据不可避免。

DSP的DMA功能一般也都较为强大，TI C6000系列的DMA通道支持1D-1D、1D-2D、2D-1D以及常用的2D-2D数据传送，对DMA的合理使用可能替代相当的编程效果，如排序、采样或裁剪。

TI的CSL(Chip Support Library，芯片支持库)对于使用DMA给出了很好的支持，有专门的DMA模块，便于对DMA的各个寄存器进行控制。还有一个DAT模块，使用DMA进行内存数据传送，函数DAT_copy()和DAT_fill()就像常用的内存操作memcpy()、memset()一样，只需要在API接口指出源地址、目的地址和长度，或者其他的维数属性等即可，不需要再去管具体的寄存器，非常方便。

视频处理实例分析


DAT模块易用，但因为是在CSL中，所以只能将DMA控制器直接的功能表达出来。对于灰度图像处理(先不考虑将算法处理后的结果传回片外的情况)，在下面的处理框架中，每次DMA执行操作时，CPU在前台还可以做算法处理任务。
...
task=DAT_copy(...);//启动头一个DAT任务
...
while(not_finished){

DAT_wait(task); //本次task完成

task=DAT_copy(...); //启动下一次的DMA

pingpong_alg_process(...); //对本次传送的数据处理

}

当视频为4:2:0 YUV图像(planar模式)序列，需要处理某一区域时，实际上是在相同时机处理Y、U、V三块数据，通常它们并不连续，也就是说，将会同时使用三个DMA操作。

这里可能可以同时启动多条DMA通道，但有一些限制：


1. 有的处理器支持同时启动的DMA通道数有限，有些DSP有4条通道，但寄存器集只能完整地支持两条；


2. 由于共享总线和某些接口，同时工作的DMA通道数过多将可能增加访问冲突，降低系统性能；


3. 有时多条通道又必须同时使用，比如系统视频、音频采集进入的数据必须占用独立的通道。


所以，上面的任务能够尽量使用一个DMA通道完成，不失一般性，DAT模块的所有操作实际上是在一条打开的通道上完成的。


那么，对于YUV图像，处理程序框架类似上面，可能如下，
...

taskY = DAT_copy(...);

taskU = DAT_copy(...);

taskV = DAT_copy(...);
...

while(not_finished){

DAT_wait(taskY);

DAT_wait(taskU);

DAT_wait(taskV);

taskY = DAT_copy(...);

taskU = DAT_copy(...);

taskV = DAT_copy(...);

YUV_pingpong_process(...);

这时问题出现了：C620x的DMA通道一次只能接受一个传送请求，也就是说，每次请求必须等到该通道空闲时才可能真正提交上去，这样taskY和taskU在后台操作时，前台无法进行taskU和taskV的启动，即实际上前台没有什么处理任务可做，浪费了效率。而这三个dat任务绑定在一起，启动时机很难拆开。显然，如果能够允许DMA请求连续地提交，将提高效率。


DMA通道请求非阻塞提交的方法


把DMA通道看作一个单处理单元，每个DMA操作作为一个任务，这就形成了一个单处理多任务的模型，任务调度就是FIFO。不妨定义：


1. DMA通道请求上下文是一个数据结构，它包含启动一次DMA传送所需要设定的寄存器参数集合，如源、目的、长度、index寄存器(维数)等等；


2. DMA通道请求上下文队列，一个DMA请求上下文的队列用以缓存DMA请求；


DMA通道的使用和请求非阻塞的提交应有以下两条原则：


a. 应用程序的使用DMA通道的方法：

提交DMA通道请求(无阻塞)，获得此次任务的id；在需要使用某任务的目标内存时，应检查该id任务状态直到完成；如果完成，即可进行相应的处理。

b. 无阻塞提交DMA通道请求的实现：标志此次DMA传送任务正在进行；如果DMA通道空闲，设置寄存器启动DMA操作，标志DMA通道正在工作；如果DMA通道正在工作，则将此次DMA请求插入上下文队列。

3. DMA中断服务程序(注:DAT模块不使用ISR，只是查询对应标志，确定DMA传送是否完成)：标志此次DMA传送任务完成；如果DMA请求上下文队列为空，标志DMA通道空闲；如果DMA请求上下文队列非空，则从队列中取出头一个DMA请求上下文，用以设置相应的寄存器启动DMA操作。

QDAT：一个非阻塞的DMA模块实现

在TI C620x DSP上，一个非阻塞的DMA模块QDAT根据以上原理得以实现。

QDAT的API与DAT模块的基本一致，优点是使用上述的YUV图像处理应用程序中，不会发生DMA请求阻塞；

QDAT与DAT模块功能相似，但属于驱动程序层次的实现，基于：CSL的DMA模块；CSL的IRQ模块；以及DSP/BIOS的QUE模块。

不过实现十分简便、轻盈。

该模块独立于应用和算法，已经在基于TI C620x DSP上的多个项目中使用，效果十分理想，特别是因为QDAT任务中的DMA操作经过了串行化，也大大降低了在EMIF上访问内存时的冲突。


EMDA的先进特征


这些项目向新的TI DM642媒体处理器上移植时，以上的操作将利用EDMA的先进特征， 因为TI C6x1x 和 C64x DSP开始使用EDMA，值得注意的是，EDMA通道控制器(EDMACC)有专门的PRAM(parameterRAM)来缓存DMA请求参数，EDMA事件参数表中有标志以及LINK address，用来指示本次DMA传送结束后， 是否有新的DMA请求参数需要重载入操作寄存器； 如果有，LINK address所指就是新的参数在PRAM的位置。 显然因为这样的链表机制，使用该通道连续两次传送之间无需中断处理程序(CPU)介入队列管理，效率将提高。 对于频繁的内存数据传送，如DAT操作一般使用QDMA， 它由CPU直接将传送请求(TR)提交给传送控制器(EDMATC)，TC中有四个优先级队列，每个TR都将进入其对应（已指定）的一个队列。 对于不同的请求源，队列的长度可编程，每个队列最多可以接收7个QDMA请求。 如果队列有空，TR就可以进入；若满了，CPU将会停止(stall)几个EDMA周期等待TC的执行，队列随即空出一个位置。

总之，EDMA执行机构这种纯硬件的队列机制使得效率提升更加极大化， 减少了软件对此的相关开销。

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