基于PCI 总线的多通道DMA传输

1、基于PCI 总线的多通道DMA传输刘海华 时间:2008年09月22日 字 体: 大 中 小关键词:? 摘? 要:? 关键词: PCI总线? DMA控制器? 突发传输? 数据采集? PCI/cPCI总线是一种独立于CPU的局部总线,由于支持突发传输操作,其总线传输吞吐量为132MB/s(33bit,33MHz),已经被广泛应用于个人计算机。但是,在x86结构CPU的个人计算机下,由主CPU发起读操作访问PCI目标设备时,不能进行突发读操作。这是由于个人计算机启动时BIOS将PCI设备映射到非Cache存储器中,会出现读操作阻塞。对于突发写操作,也存在同样的问题。也就是说在PC环境下开发基于PC

2、I的产品,PC机不支持突发传输。为了获得高的数据传输量,就必须使用PCI主桥设计PC卡,并在DMA模式下操作。高传输性能的PCI总线主设备有很多,如PLX公司的PCI9054。本文以多通道高速数据系统的设计为例,说明PCI9054实现多通道DMA传输的应用。?1 PCI总线控制器的DMA传输? PCI9054集成了两个互相独立的DMA通道,每个通道都支持Block DMA和Scatter/Gather DMA。其中通道0还支持请求(Demand)DMA传输方式。由于PCI9054的两个DMA通道都是由DMA控制器和专用的双向FIFO组成,当每个通道进行DMA传输时,它对于PCI总线和本地总线都

3、是主设备。即DMA控制器将发起对本地总线和PCI总线操作,其过程如图1所示。? 如果要求从本地空间传输数据到PCI空间,PCI9054首先对本地总线执行读操作。在本地总线上可能有其它设备访问本地总线,因此PCI9054需申请获得本地总线访问权。当PCI9054获得访问权后,将本地数据读入PCI9054的FIFO中。与此同时,PCI9054将向PCI总线仲裁器申请PCI总线访问权,将数据从FIFO写到PCI总线空间。一旦DMA传输完成,PCI9054设定DMA“传输结束位”结束传输。如果设置中断允许,PCI9054将根据设置向PCI总线或本地输出中断。同样可将数据从PCI传输到本地总线空间。?2

4、 基于块传输模式的多通道数据采集系统设计? 块传输是一种相对简单的DMA传输模式。其操作是将本地总线存储器中的数据传输到HOST内存中,或将HOST内存中的数据传输到本地总线上的存储空间。在传输之前,HOST处理器设置DMA寄存器中本地和PCI空间起始地址、传输字节数、传输方向,然后HOST处理器设置DMA开始位,启动DMA并按配置的信息传输。? 输入通道的存储空间映射到DMA本地访问空间是基于DMA访问的。当DMA控制器访问本地空间时,访问的地址对4个通道而言是一样的,必须给出对不同本地空间的访问策略。访问策略可有多种选择,如优先访问、排队访问、循环访问等。图4给出循环访问策略,并在CPLD

5、中实现。其状态变化为:? STATE0STATE1STATE2STATE3STATE0? STATEx表示对本地空间x的操作状态。当输入通道FIFOx的请求传输信号FLAGx有效,状态机将停留在STATEx状态,等待DMA控制器的访问。当计算机启动DMA通道时,产生通道选择信号CSx,访问本地空间FIFOx。当DMA传输结束后,信号CSx无效,状态转为下一个状态。如果在下一个状态没有检测到请求信号,状态将转移到该状态的下一个状态,直到检测到请求信号FLAGx有效时,状态机才停留在STATEx状态,等待DMA控制器访问。? DMA控制器访问依赖于数据采集通道的请求传输信号FLAGx。如果数据采集

6、通道启动,将向相应通道的FIFO中输入数据,一旦FIFO中的数据达到某种程度,设置请求传输信号。该信号将从本地中断信号LINT#输入并路由到PCI总线上,计算机将接收并响应中断。其中断响应程序流程如图5所示。计算机读PCI9054内部中断状态寄存器,检测为本地中断,从CPLD中设置的状态寄存器读取通道状态。然后启动DMA控制器。当数据传输结束后,PCI9054同样产生PCI中断,读PCI9054内部中断状态寄存器,检测为DMA传输结束,这时查询通道状态寄存器的值,决定传输数据的通道,并对数据作相应的处理,其处理方式依赖于不同的应用需要。? 如果应用中需要有选择性地传输输入通道数据,假设选择通道

7、0、1、3,这时只须对CPLD中设置的屏蔽寄存器写数据初始化,即可屏蔽输入通道2。? 在该设计中存在一个问题:对于一次DMA传输,计算机需要响应两次中断,这将增加计算机的处理事务。为此,可以采用PCI9054的DMA通道的请求传输方式。利用输入通道的请求传输标示信号产生DMA请求信号DREQ0#,从而启动DMA传输,并产生DACK0#响应信号。当数据传输结束后,计算机响应中断,读输入通道状态寄存器,判断传输到计算机中数据的输入通道。?3 基于Scatter/Gather传输模式的多通道数据采集系统设计? Scatter/Gather(或S/G)DMA传输模式是PCI9054的另外一种传输模式。

8、其基本方法是将本地总线上或PCI总线上分散的数据块一次性地通过DMA传输方式传输到PCI存储空间或本地存储空间,不需要多次启动DMA控制器。数据采集系统结构如图2所示,空间映射如图3。PCI9054的S/G传输模式其实是利用PCI9054内部的DMA传输通道,建立了一个虚拟的DMA传输,并使用描述模块建立一个传输链,将不同位置上的数据块传输连接起来。该描述模块包括PCI和Local的起始地址、传输字节数、传输方向和下一个描述模块的地址。该模块由HOST处理器在HOST存储器中建立。然后HOST或本地处理器设置S/G模式;在PCI9054描述指针寄存器中建立开始描述块地址。? 当本地总线请求传输

9、信号有效时,产生PCI中断INTA#,PC响应中断,设置DMA控制器控制位启动传输,其传输过程如图6所示。PCI9054根据开始描述块地址装载第一个描述块并传输该空间的数据。当第一块数据传输结束后,检测描述链结束位。如果没有设置,表明不是最后的块传输,指定下一个描述模块的位置,并继续装载描述块和传输数据,如此重复直至检测到描述链结束位被设置。当检测到链结束状态位时,表明PCI9054没有下一个数据块传输,设置DMA传输结束状态位,表明数据传输结束。? 对于多通道数据采集应用,假设每个输入通道数据采集的速率一样,那么输入到每个通道中FIFO的数据是一样的速率。当 FIFO中的数据达到一定程度时,

10、产生中断请求传输,计算机响应中断,进行上述操作。由此可见每次启动DMA传输,将4个数据采集通道的数据一次传输到计算机内存的不同空间中。当然,如果只需传输4个通道中的几个,如只传输通道1、2、4的数据,那么只用修改块传输描述块中的参数,重新建立块传输链,只传输输入通道1、2、4的数据,从而屏蔽了输入通道3。? 该传输方式相对块传输模式而言,不用进行4次DMA启动,减少访问的开销,同时不需要设计复杂的接口电路。由于S/G模式对多块数据传输是统一进行的,要求输入通道的数据输入速率一致,或有相对稳定的关系,使每个块传输的大小相对稳定。当然每个通道的采样速率可能不一致,并随时需要调整,这样就需要相应地修改描述块的参数,使S/G模式操作变得较复杂。块传输模式可以根据每个通道各自请求的传输状态进行传输,表现出应用的灵活性。? 该设计虽然只是针对多通