S5935如何实现DMA传输的设计与研究 - 全文

　　摘要：文中介绍了具有PCI总线主控功能的专用接口芯片——S5935的基本结构，阐述了它如何实现DMA控制器的功能，并给出了用于实现DMA传输的WDM驱动程序。

　　1前言

　　计算机与外设之间有三种传输方式：程序方式、中断方式、DMA（DirectMemoryAccess）方式。其中，前两种方式都是CPU通过执行指令来实现主机与外设间的数据传输，传输速度较低；后一种方式是由DMA控制器直接实现外设和存储器之间的数据传输，它不通过CPU，传输速度较高。因此在高速数据传输系统中，常常利用DMA方式来实现计算机与外设间的数据传输。

　　由于个人计算机中的PCI总线具有总线主设备支持的特点（总线主设备支持的特点就是全面支持PCI总线主设备，允许同级PCI总线访问和通过PCI—PCI与扩展总线桥访问主存储器和扩展总线设备，并且，PCI主设备能够访问驻留于总线级别较低的另一个PCI总线上的目标）。所以，可以有两种途径来实现DMA传输，其一是利用计算机内部的DMA控制器；其二是利用具有总线主控功能的PCI接口芯片。由于后一种途径不占用计算机系统的DMA通道，节省了计算机的资源，因此，使用较多。

　　具有总线主控功能的PCI接口芯片主要有两种类型：一是可嵌入IP核的可编程逻辑器件，如Xilinx公司的Sparten系列等；二是专用的PCI桥接芯片，如PLX公司的PCI9054、AMCC公司的S5935等产品。前者设计较为灵活，但是要求开发者对PCI规范有较深入的理解，开发周期较长；后者设计较为简单，开发者只要正确配置接口芯片的配置空间，注意引脚的电气连接规范，就可以正确使用，开发周期较短。本文以专用PCI接口芯片——S5935为例，介绍其作为PCI总线主设备时如何实现DMA传输。

　　2AMCCS5935芯片

　　S5935是AMCC公司S59XX系列接口芯片中的一种，该芯片功能强大，可用于高速数据采集卡、视频加速卡、多媒体通信等。它既可作PCI总线主设备，也可作PCI总线从设备，应用较为广泛。它有三种工作方式：MAILBOX（邮箱）工作方式、PASS-THRU（直通）工作方式、FIFO（先进先出）工作方式。其中前两种工作方式只能是S5935作为PCI总线从设备时的工作方式，FIFO工作方式可以是S5935作为PCI总线主设备时的工作方式，也可以是S5935作为PCI总线从设备时的工作方式。

　　S5935的结构如图1所示，它有三个接口：PCI总线接口、本地端接口和非易失性存储

　　

　　图1S5935结构框图

　　器接口。PCI接口用来实现计算机与S5935间的数据、地址、命令等的传输。本地端接口用来实现S5935与外部存储器间的数据传输以及与外部控制逻辑电路间的地址、命令等的传输。非易失性存储器接口有两种类型，它既可以与串行nvRAM相连，也可以与字节nvRAM相连，实现S5935头部空间的配置。

　　S5935的配置空间有256字节，分为头部配置空间和操作寄存器空间。头部占用64字节，它又可以分为两部份，前16个字节的定义在各种类型的设备中都是一样的，如厂商代码VID、设备代码DID，其余48个字节可以根据设备支持的基本功能情况进行不同的设置，如中断引脚的设置、PASS-THRU映射在存储器或I/O空间的大小设置以及PCI操作寄存器的基地址设置等。操作寄存器分为16双字的PCI操作寄存器和18双字的本地操作寄存器，前者只能通过PCI总线对其进行访问，后者则只能通过本地总线对其进行访问。它们的结构非常相似，其主要区别是本地操作寄存器比PCI操作寄存器多两个用于直通工作方式的直通地址寄存器（APTA）和直通数据寄存器（APTD），而少一个主控寄存器（MCSR）。

　　3S5935的DMA控制器特性

　　S5935的FIFO工作方式可以工作在总线主控模式下，此时S5935相当于一个带有数据缓冲区的DMA控制器，可以在不占用计算机系统的DMA通道的情况下，进行DMA传输。其内部结构如图2所示，它有两个单向FIFO：一个FIFO的数据传输方向是从PCI总线到本地总线，另一个用于本地总线到PCI总线的数据传输，每个FIFO的大小为8×32bit；还有两个地址寄存器和两个数据寄存器，分别用于存储DMA传输的首地址和传输所需的字节数。S5935的DMA传输可以设置为由本地总线发起，也可以由PCI总线发起的，它是在初始化时，通过设置nvRAM的45h单元的bit7实现的。下面以由PCI总线发起的DMA传输为例，介绍S5935的DMA控制器特性：

　　当需要进行DMA传输时，驱动程序通过设置MCSR寄存器的bit14或bit10，向S5935发出DMA请求信号（前者用于计算机内部存储器读，后者用于内部存储器写），S5935根据FIFO管理方案，如满足条件，使能REQ#信号，申请总线控制权。

　　当总线仲裁器收到总线控制请求信号后，如果允许，则使能GNT#信号，从而将总线的控制权传递给S5935。

　　S5935得到总线控制权以后，将存储在MWAR（或MRAR）内的地址信号发送到PCI地址总线上，并且每传送一个字节，MWAR（或MRAR）内的地址就会自动更新，以指向下一个要传送的字节。

　　S5935通过C/BE［3:0］#发送读/写控制信号，例如：发送的是0110，则为内部存储器读，发送的是0111，就为内部存储器写。

　　为了决定所传送的字节数，并且判断DMA传送是否结束，S5935利用MWTC（或MRTC）存储需要传输的字节数，每传送1个字节，字节计数器的值便自动减1，减为0时，则DMA过程结束。

　　当DMA过程结束时，S5935使REQ#信号为高，将总线控制权交还给总线仲裁器。由此我们可以看出，当S5935作总线主设备时，其功能类似于一个DMA控制器。当DMA传输由PCI总线发起，DMA控制器的初始化由驱动程序完成；当DMA传输由本地总线发起，其初始化由外部逻辑电路完成。

　

　　图2S5935的FIFO结构

　　4利用S5935实现DMA传输的应用实例

　　S5935的FIFO既可以同步方式工作，也可以异步方式工作。下面以PCI总线发起的DMA传输为例，介绍其在异步方式下的DMA传输。

　　4.1硬件设计

　　

　　图3S5935与外部FIFO的接口

　　图3标示为S5935与外部存储器（异步FIFO）的主要信号引脚连接情况。由于该传输是由PCI总线发起的，所以外部可编程逻辑电路（FPGA）只需要满足S5935对外部FIFO的读写时序要求，DMA控制器的初始化由驱动程序完成。利用VHDL语言编程外部控制逻辑，其外部FIFO的读时序（也是S5935内部FIFO的写时序）如图4所示，外部FIFO的写时序（也是S5935内部FIFO的读时序）与它类似。

　　

　　图4外部FIFO的读时序

　　4.2驱动程序的设计

　　用于实现DMA传输的驱动程序的流程如图5所示。

　　

　　图5驱动程序流程图

　　5结束语

　　随着三维动画、视频跟踪等新兴行业的快速发展，数据的传输速率要求越来越高，CPU任务越来越繁重，在计算机与外设之间采用DMA方式传输不仅可以提高数据的传输速率，而且可以减轻CPU的负担。采用专用的具有总线主控功能的接口芯片可以使设计更简单，开发周期更短，不失为一种经济的、高效率的办法。