一文详解ZYNQ中的DMA与AXI4总线

ZYNQ中DMA与AXI4总线

为什么在ZYNQ中DMA和AXI联系这么密切？通过上面的介绍我们知道ZYNQ中基本是以AXI总线完成相关功能的：

图4‑34 连接 PS 和 PL 的 AXI 互联和接口的构架

在ZYNQ中，支持AXI-Lite，AXI4和AXI-Stream三种总线，但PS与PL之间的接口却只支持前两种，AXI-Stream只能在PL中实现，不能直接和PS相连，必须通过AXI-Lite或AXI4转接。PS与PL之间的物理接口有9个，包括4个AXI-GP接口和4个AXI-HP接口、1个AXI-ACP接口。

Xilinx提供的从AXI到AXI-Stream转换的IP核有：AXI-DMA，AXI-Datamover，AXI-FIFO-MM2S以及AXI-vDMA等

AXI-DMA：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的转换

AXI-FIFO-MM2S：实现从PS内存到PL通用传输通道AXI-GP<----->AXI-Stream的转换

AXI-Datamover：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的转换，只不过这次是完全由PL控制的，PS是完全被动的。

AXI-VDMA：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP<---->AXI-Stream的转换，只不过是专门针对视频、图像等二维数据的。

除了上面的还有一个AXI-CDMA IP核，这个是由PL完成的将数据从内存的一个位置搬移到另一个位置，无需CPU来插手。

上面的IP是完成总线协议转换，如果需要做某些处理（如变换、迭代、训练……），则需要生成一个自定义Stream类型IP，与上面的Stream接口连接起来，实现数据输入输出。用户的功能在自定义Stream类型IP中实现。

综上，在ZYNQ中DMA和AXI是不可分割的两者，所以介绍DMA也是必须的。

1.1.1DMA简介

DMA是一种内存访问技术，允许某些计算机内部的硬件子系统可以独立的直接读写内存，而不需要CPU介入处理，从而不需要CPU的大量中断负载，否则，CPU需要从来源把每一片段的数据复制到寄存器，然后在把他们再次写回到新的地方，在这个时间里，CPU就无法执行其他的任务。

DMA是一种快速数据传送方式，通常用来传送数据量较多的数据块。使用DMA时，CPU向DMA控制器发送一个存储器传输请求，这样当DMA控制器在传输的时候，CPU执行其他的操作，传输完成时DMA以中断的方式通知CPU。

DMA传输过程的示意图为：

图4‑35 DMA传输过程的示意图

DMA的传输过程为：

1、为了配置用DMA传输数据到存储器，处理器（Cortex-A9）发出一条指令。

2、DMA控制器把数据从外设传输到存储器或者从存储器传输到存储器，从而较少CPU处理的事务量。

3、输出传输完成后，向CPU发出一个中断通知DMA传输可以关闭。

为了发起传输事务，DMA控制器必须得到以下信息：

（1）、源地址——数据被读出的地址

（2）、目的地址——数据被写入的地址

（3）、传输长度——应传输的字节数

我们可以理解，无论是程序控制方式还是中断控制方式，数据的传输都必须经过处理器。而在一个嵌入式微处理器为主控的应用系统中，当有大量数据在存储器和外设之间传输时，采用程序控制方式显然不合适，但是若采用中断控制方式，会造成中断次数过于频繁，不仅速度上不去，还需要处理器及时干预进行处理，大大降低了工作的效率。

然而，使用DMA的好处就是它不需要CPU的干预而直接服务外设，这样CPU就可以去处理别的事务，从而提高系统的效率，对于慢速设备，其作用只是降低CPU的使用率，但对于高速设备，它不只是降低CPU的使用率，而且能大大提高硬件设备的吞吐量。因为对于这种设备，CPU直接供应数据的速度太低。因CPU只能一个总线周期最多存取一次总线，而且对于处理器，它不能把内存中A地址的值直接搬到B地址。它只能先把A地址的值搬到一个寄存器，然后再从这个寄存器搬到B地址。也就是说，对于处理器，要花费两个总线周期才能将A地址的值送到B地址。而DMA就不同了，一般系统中的DMA都有突发（Burst）传输的能力，在这种模式下，DMA能一次传输几个甚至几十个字节的数据，所以使用DMA能使设备的吞吐能力大为增强。

鉴于上面的优势，系统中使用DMA是必要的，能够提高数据吞吐量，减轻了ＣＰＵ的负担，使得整个系统的性能得到提高。

说了这么多优点，那么DMA缺点是什么呢？DMA传送期间CPU被挂起，部分或完全失去对系统总线的控制，这可能会影响CPU对中断请求的及时响应与处理。因此，在一些小系统或速度要求不高、数据传输量不大的系统中，一般并不用DMA方式。因为DMA允许外设直接访问内存，从而形成对总线的独占。这在实时性强的硬实时系统嵌入式开发中将会造成中断延时过长。

DMAC为DMA控制器

DMA传送虽然脱离CPU的控制，但并不是说DMA传送不需要进行控制和管理。通常是采用DMA控制器来取代CPU，负责DMA传送的全过程控制。目前DMA控制器都是可编程的大规模集成芯片。

图4‑36 DMAC结构

DMA控制器是内存储器同外设之间进行高速数据传送时的硬件控制电路，是一种实现直接数据传送的专用处理器，它必须能取代在程序控制传送中由CPU和软件所完成的各项功能。它的主要功能是:

(1)DMAC同外设之间有一对联络信号线--外设的DMA请求信号DREQ以及 DMAC向外设发出的DMA响应信号DACK;（如下图）
(2)DMAC在接收到DREQ后，同CPU之间也有一对联络信号线--DMAC向CPU 发出总线请求信号(HOLD或BUSRQ)，CPU在当前总线周期结束后向DMAC发出总线响应信号(HLDA或BUSAK)，DMAC接管对总线的控制权，进入DMA操作方式;
(3)能发出地址信息，对存储器寻址，并修改地址指针，DMAC内部必须有能自动加1或减1的地址寄存器;
(4)能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束。DMA内部必须有能自动减1的字计数寄存器，计数结束产生终止计数信号;
(5)能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复总线控制权;
(6)能发出读、写控制信号，包括存储器访问信号和I/O访问信号。DMAC内部必须有时序和读写控制逻辑。

图4‑37 DMAC在DMA中的作用示意图（一）

图4‑38 DMAC在DMA中的作用示意图（二）