AHB-DMAC

2024-11-29

手册1.3，3.4，3.5，3.6，3.7.1。DMA（直接存储器访问）控制器

基本概念

1. Source peripheral（源外设）

定义：源外设是DMA控制器（DW_ahb_dmac）读取数据的设备，通常位于AHB总线层级。DMA控制器将从源外设读取的数据存储在通道FIFO（先进先出队列）中。
角色：源外设与目标外设一起组成DMA通道。源外设可以是AHB或APB从设备。如果是APB从设备，则通过AHB-APB桥接器访问。

2. Destination peripheral（目标外设）

定义：目标外设是DMA控制器将FIFO中存储的数据写入的设备。
角色：目标外设也可以是AHB或APB从设备。如果是APB从设备，则同样需要通过AHB-APB桥接器访问。

3. Memory（内存）

定义：内存是源或目标外设的一种形式，通常表示不需要握手接口即可与DMA控制器交互的数据源或目标。内存外设不需要等待信号，而是“随时准备”进行DMA传输。
条件：如果外设插入的等待状态超过16个，则不能作为内存外设，而需要通过握手接口来与DMA控制器交互。如果外设的等待状态较少，则可以将其配置为内存外设。

4. Channel（通道）

定义：通道是源外设和目标外设之间的数据传输路径。数据通过通道的FIFO从源外设传输到目标外设。
特征：如果源外设不是内存，则通道会有一个源握手接口；如果目标外设不是内存，则会有目标握手接口。可以动态配置这些握手接口。

5. Master interface（主接口）

定义：DMA控制器在AHB总线上充当主设备，读取源外设的数据并将其写入目标外设。DMA控制器最多可以有四个主接口，这意味着最多可以同时运行四个独立的源和目标通道。
作用：每个通道需要竞争主接口。如果源和目标外设位于不同的AHB层上，则需要多个主接口。

6. Slave interface（从接口）

定义：这是DMA控制器用来配置的AHB接口。这个从接口可以与主接口在同一层级，也可以位于不同的层级。

7. Handshaking interface（握手接口）

定义：握手接口是用来控制DMA传输的信号或软件寄存器集合，它遵循特定的协议，用于请求、确认和控制DMA事务。握手接口有三种类型：
- Hardware handshaking interface（硬件握手接口）：通过硬件信号控制DMA传输。适用于要求实时传输控制的情况。
- Software handshaking interface（软件握手接口）：通过软件寄存器控制DMA传输。适用于无需修改外设硬件的情况下，可以方便地与现有外设进行DMA交互。
- Peripheral interrupt handshaking interface（外设中断握手接口）：使用外设中断信号作为握手接口，控制DMA传输。

8. Flow controller（流控制器）

定义：流控制器是决定DMA块传输长度并终止传输的设备。流控制器可以是DMA控制器本身，也可以是源或目标外设。
情况：
- 如果传输块的长度已知，可以由DMA控制器充当流控制器。
- 如果传输块的长度不确定，外设充当流控制器，控制数据块的结束。

9. Flow control mode (CFGx.FCMODE)（流控制模式）

定义：只有在目标外设作为流控制器时，这种模式才适用。它控制从源外设的数据预取（pre-fetch）方式。

10. Transfer hierarchy（传输层次结构）

定义：下图说明了DW_ahb_dmac传输、块传输、事务（单次或突发）和AHB总线传输之间的层次关系。它显示了DMA控制器如何管理不同类型的传输，并进行调度。（对于内存外设是没有DMA Transaction Level的，这一点很重要）

和内存的通信

Block（块）

定义：块是DMA控制器传输的数据单元，块的大小由流控制器决定。在与内存的传输中，一个块会直接分解成多个突发传输（burst）和单次传输（single transfer）。而在与非内存外设的传输中，块会被分解成多个DMA事务（单次或突发），这些事务进一步分解为AHB总线传输。

Transaction（事务）

定义：事务是DMA传输的基本单位，事务的类型和长度由硬件或软件握手接口决定。在与非内存外设的传输中，每个事务对应一个或多个AHB传输。事务分为两种类型：
- Single transaction（单次事务）：长度为1的事务，直接转换为一个单独的AHB传输。
- Burst transaction（突发事务）：长度可编程，通常与FIFO大小和源/目标外设的容量有关。突发事务会被转换为多个突发传输和AHB单次传输的序列。

DMA transfer（DMA传输）

定义：DMA传输由软件控制块的数量，传输完成后，DMA控制器会禁用通道，并可能产生中断来通知传输完成，之后可以重新编程通道进行新的传输。
- Single-block DMA transfer（单块DMA传输）：仅包含一个块。
- Multi-block DMA transfer（多块DMA传输）：可以由多个DMA块组成，支持块链（linked list）、自动重载寄存器和连续块等方式。

Linked lists (block chaining)（链表和块链）

定义：链表指针（LLP）指向下一个链表项的位置。每个链表项（LLI）包含描述下一个块的寄存器。DMA控制器每次传输开始时都会获取链表项。链表访问总是32位，不能更改为其他数据宽度，即使支持更宽的数据总线接口。

Auto-reloading（自动重载）

定义：在每个块结束时，DMA控制器自动将通道寄存器重新加载为通道最初启用时的值。这样可以简化多块传输的管理。

Contiguous blocks（连续块）

定义：连续块的地址选择方式是从前一个块的结束地址继续。即块与块之间的地址是连续的。

Scatter（分散）

定义：适用于目标传输。分散操作意味着在每到达一个分散边界时，目标地址会按程序设定的增量（或减量）变化，且软件可以控制每两个分散边界之间的AHB传输数量。

Gather（聚集）

定义：适用于源传输。聚集操作意味着在每到达一个聚集边界时，源地址会按程序设定的增量（或减量）变化，软件也可以控制每两个聚集边界之间的AHB传输数量。

Channel locking（通道锁定）

定义：软件可以将通道设置为锁定状态，这样在DMA传输、块或事务期间，DMA控制器会保持AHB主接口的控制权，防止其他模块争用总线。

Bus locking（总线锁定）

定义：软件可以通过总线锁定机制来保持DMA控制器对AHB总线的控制，直到DMA传输完成。总线锁定通常伴随通道锁定一起使用。

FIFO mode（FIFO模式）

定义：FIFO模式通过减少请求总线接口的次数来提高带宽。启用FIFO模式后，DMA通道只有在FIFO缓冲区未满一半时才会从源外设请求数据，只有在FIFO达到或超过一半时才会将数据传输到目标外设。

Pseudo fly-by operation（伪飞行操作）

定义：在源外设和目标外设位于不同的AHB层时，DMA控制器可以同时从源外设读取数据并将数据写入目标外设。这意味着数据既能存储到FIFO，又能从FIFO写入目标外设，从而优化了数据传输的效率。

传输计算

1. 源单次传输大小（Source single transaction size in bytes）

定义：源单次传输大小指的是每次DMA从源外设读取的数据量。该值由源传输宽度（CTLx.SRC_TR_WIDTH）决定。CTLx.SRC_TR_WIDTH是一个寄存器字段，表示源传输的宽度（通常是一个数据宽度，单位为位）。为了得到源单次传输的字节数，必须将该宽度除以8，因为1字节等于8位。
公式：
$$
\text{src_single_size_bytes} = \frac{\text{CTLx.SRC_TR_WIDTH}}{8}
$$
例如，如果CTLx.SRC_TR_WIDTH = 32，那么源单次传输大小为4字节。

2. 源突发传输大小（Source burst transaction size in bytes）

定义：源突发传输大小是指源外设在DMA传输时一次突发（burst）传输的数据量。突发传输可以包含多个单次传输，因此源突发传输大小是源单次传输大小和源突发大小（CTLx.SRC_MSIZE）的乘积。CTLx.SRC_MSIZE表示源突发的大小，单位是源单次传输的数量（即一次突发中包含的源单次传输的个数）。
公式：
$$
\text { src_burst_size_bytes }=\text { CTLx.SRC_MSIZE } \times \text { src_single_size_bytes }
$$
例如，如果CTLx.SRC_MSIZE = 4且src_single_size_bytes = 4字节，那么源突发传输大小就是16字节。

3. 目标单次传输大小（Destination single transaction size in bytes）

定义：目标单次传输大小指的是DMA写入目标外设时每次写入的数据量。它由目标传输宽度（CTLx.DST_TR_WIDTH）决定，CTLx.DST_TR_WIDTH表示目标传输的宽度，单位是位。与源单次传输大小类似，它需要通过除以8来转换为字节。
公式：

$$
\text { dst_single_size_bytes }=\frac{\text { CTLx.DST_TR_WIDTH }}{8}
$$

例如，如果CTLx.DST_TR_WIDTH = 32，那么目标单次传输大小就是4字节。

4. 目标突发传输大小（Destination burst transaction size in bytes）

定义：目标突发传输大小是指DMA写入目标外设时一次突发（burst）传输的数据量。与源突发传输大小类似，目标突发传输大小是目标单次传输大小和目标突发大小（CTLx.DEST_MSIZE）的乘积。CTLx.DEST_MSIZE表示目标突发的大小，单位是目标单次传输的数量。
公式：

$$
\text { dst_burst_size_bytes = CTLx.DEST_MSIZE × dst_single_size_bytes }
$$

例如，如果CTLx.DEST_MSIZE = 4且dst_single_size_bytes = 4字节，那么目标突发传输大小就是16字节。

5. 块大小（Block size in bytes）

块大小定义了DMA一次传输中要处理的数据量，可以根据不同的流控制器角色来计算：

DW_ahb_dmac作为流控制器：

定义：当DMA控制器本身作为流控制器时，处理器通过编程DMA控制器的CTLx.BLOCK_TS字段来指定每个块中要传输的数据项数（即块大小）。CTLx.SRC_TR_WIDTH是源传输宽度，表示每个数据项的大小。
公式：

$$
\text { blk_size_bytes_dma = CTLx.BLOCK_TS × src_single_size_bytes }
$$

例如，如果CTLx.BLOCK_TS = 100且src_single_size_bytes = 4字节，那么块大小为400字节。

源外设作为块流控制器：

定义：当源外设作为块流控制器时，块大小是源突发传输和源单次传输的数量加权平均。它由源外设进行控制。
公式：

$$
\text { blk_size_bytes_src }=\text { (Number of source burst transactions in block × src_burst_size_bytes) + (Number of source single transactions in block } \times \text { src_single_size_bytes) }
$$

这表示块大小是由源突发事务和源单次事务的数量来决定的。

目标外设作为块流控制器：

定义：当目标外设作为块流控制器时，块大小是目标突发传输和目标单次传输的数量加权平均。它由目标外设进行控制。
公式：

$$
\text { blk_size_bytes_dst }=\text { (Number of destination burst transactions in block } \times \text { dst_burst_size_bytes })+ \text { (Number of destination single transactions in block } \times \text { dst_single_size_bytes) }
$$

这表示块大小由目标突发事务和目标单次事务的数量来决定。

总结：

block size的大小要大于msize

内存外设

1. 内存外设与DMA传输的特点

没有握手接口（No handshaking interface）：内存外设通常不具有像外设那样的握手接口（handshaking interface）。这意味着，内存外设无法直接告知DMA控制器何时准备好进行数据传输。因此，当DMA通道被启用后，数据传输会立即开始，而无需等待任何事务请求或信号。
DMA控制器为流控制器（DMA controller as flow controller）：在内存外设的情况下，DMA控制器总是充当流控制器。流控制器负责管理数据传输的调度，控制每个块的传输，而不依赖外设来控制流量。因此，对于内存外设，DMA控制器直接控制数据的读取和写入过程，不需要外设插入等待状态。

2. 等待状态（Wait States）

如果内存外设没有握手接口，DMA控制器将尝试执行AHB总线传输。此时，内存外设可能会因为无法接受这些传输而插入等待状态。具体来说，如果外设不能立即处理DMA请求，它会通过de-asserting hready（即使得hready信号不为高）来插入等待状态，表示当前没有准备好处理数据。DMA控制器将在等待状态结束后继续传输。
推荐不超过16个等待状态：插入过多的等待状态可能会影响总线的效率。文中建议不要让外设插入超过16个等待状态，因为过多的等待状态会导致DMA传输过程的延迟，降低数据传输的效率。

3. 握手接口的优势

使用握手接口（Handshaking interface）：如果外设有握手接口，它可以向DMA控制器发送信号，表明它已经准备好发送或接收数据。通过这种方式，DMA控制器可以在没有等待状态的情况下与外设进行数据传输。
避免等待状态：通过握手接口，外设可以主动告知DMA控制器其准备情况，减少了等待状态的数量，提高了数据传输效率。

4. `SRC_MSIZE`和`DEST_MSIZE`在内存外设中的使用限制

不适用于内存外设：SRC_MSIZE和DEST_MSIZE是DMA控制器配置的参数，用于定义突发传输的大小，这对于具有握手接口的外设是有意义的，因为外设可能需要规定一个突发传输的大小。然而，这两个参数不适用于内存外设。
内存外设不需要这两个参数：因为内存一般没有像外设那样有限的资源（比如FIFO缓存），所以内存可以直接进行DMA传输，且不需要设置突发大小。DMA控制器会根据可用的FIFO空间或块传输的要求来决定传输长度。

5. 内存外设的传输规则

从内存到外设的突发传输长度：从内存到外设的突发传输长度取决于通道FIFO中的可用数据项数量和块传输所需的数据项数量（两者取最小值）。
- 这意味着如果FIFO中有足够的空间，DMA将使用更长的突发传输；如果FIFO空间不足，DMA将传输较小的数据块，直到完成块传输。
从外设到内存的突发传输长度：从外设到内存的突发传输长度规则相似，也是取FIFO中的可用空间和块传输要求的最小值。

早期终止的突发事务

1. 早期终止的突发事务

什么是早期终止的突发事务？
- 突发事务通常指一次连续地传输多个数据项，而不是单独的传输。但如果DMA控制器发现剩余的数据量小于请求的突发大小（即 src_burst_size_bytes 或 dst_burst_size_bytes），那么它会提前终止这个突发事务，仅传输足够的数据以完成当前的数据块传输。
- 这种早期终止的突发事务仅在DMA控制器与外设（而不是内存）之间进行时发生，且外设不是“流控制器”时（也就是说DMA控制器负责数据的传输控制）。

2. 何时会发生早期终止？

早期终止发生的条件是：
- 外设不是流控制器（也就是DMA控制器在控制传输）。
- 数据源或数据目的地外设处于单事务区（Single Transaction Region）。
在单事务区，DMA控制器本应进行单独的事务，但如果触发了突发请求，而此时剩余的数据量不足以完成整个突发传输，DMA控制器会提前终止突发事务。

3. 早期终止的突发事务行为

当DMA控制器在单事务区检测到突发请求时，但剩余的数据不足以完成整个突发，它将：
- 只传输完成当前数据块所需的数据量，而不会传输整个突发大小（src_burst_size_bytes 或 dst_burst_size_bytes）。
- 这意味着DMA控制器只会传输剩余的数据，以完成当前块的传输，而不会传输多余的数据。

4. DMAH_INCR_BURSTS 配置位的影响

发生这种早期终止行为时，DMA控制器的配置位 DMAH_INCR_BURSTS 会影响DMA如何处理突发请求。

当 DMAH_INCR_BURSTS = 0 时：
- 如果DMA控制器在单事务区检测到突发请求，只会发出单事务传输，即使是突发请求，也会分成单独的事务进行传输，而不会发起突发事务。
当 DMAH_INCR_BURSTS = 1 时：
- 如果 DMAH_INCR_BURSTS 被设置为 1，DMA控制器会尝试发出递增突发（INCR类型的突发）。但这时，突发的长度会被限制为仅足够完成当前数据块的传输，而不会传输全部的 src_burst_size_bytes 或 dst_burst_size_bytes。这意味着，突发的长度是未定义的：它会根据当前块的需要来确定长度，而不是按照预定的突发大小。

5. 早期终止突发事务的总结

早期终止的突发事务发生在DMA控制器尝试执行一个突发传输，但由于剩余的数据不足以填充整个突发长度，它只会传输足够完成当前块的数据。
DMA控制器在单事务区时会自动调整突发事务的长度，确保传输的数据量足够完成数据块的传输。
DMAH_INCR_BURSTS 配置位的设置决定了DMA如何处理这种情况：
- 如果 DMAH_INCR_BURSTS = 0，则DMA控制器会发出单事务传输，而不是突发事务。
- 如果 DMAH_INCR_BURSTS = 1，DMA控制器会发出递增突发，但它的长度会根据需要传输的数据量调整，而不是传输整个预定的突发大小。

单事务区

1. 什么是单事务区（Single Transaction Region）？

单事务区 是指在某些情况下，当数据块的大小不足以完全通过突发事务来传输时，DMA控制器会使用单事务（Single Transaction）来完成剩余的数据传输。
在 DMA 数据传输过程中，如果剩余的数据量小于一个完整的突发事务所能传输的大小（即小于 src_burst_size_bytes 或 dst_burst_size_bytes），DMA控制器就会切换到单事务模式，使用单个事务来完成剩余的数据传输。

2. 为什么会进入单事务区？

原因：通常，数据块的大小不能完全被突发事务的长度整除，导致剩余的数据量小于一个完整的突发长度。例如，如果数据块大小为 100 字节，而突发长度为 64 字节，最后剩余的数据是 36 字节，不能通过一个 64 字节的突发事务完成。此时，DMA控制器将切换到单事务模式，只传输剩余的 36 字节数据。

3. DMA控制器和外设的交互

外设的单事务标志：外设通过设置单事务标志来通知 DMA 控制器，表示它准备好接收或发送一个完整的单事务数据。这是DMA控制器判断是否可以进入单事务区的一个信号。

4. 单事务区的定义和使用

单事务区仅在 DMA 控制器使用单事务来完成数据块传输时有效。换句话说，单事务区是在数据块传输过程中，由于剩余数据不足以进行完整的突发传输时，DMA控制器切换到的模式。
单事务区的外部限制：
- 在单事务区内，只使用单个数据事务（而非突发事务）。
- 在单事务区外，DMA控制器仅使用突发事务来传输数据。

5. DMA控制器为流控制器时的行为

如果 DMA控制器是流控制器，则只有在源外设传输的数据量不足以完成一个完整的突发传输时，才会进入单事务区。
源外设：如果剩余数据量小于 src_burst_size_bytes（即源块传输所需的突发数据量），则源外设进入单事务区。如果数据块的大小能够整除突发事务大小（例如，blk_size_bytes / src_burst_size_bytes 是整数），那么源外设将一直使用突发事务，而不会进入单事务区。例如：
- 假设 blk_size_bytes = 256 字节，src_burst_size_bytes = 64 字节，那么 256 / 64 = 4，意味着整个数据块可以通过 4 次 64 字节的突发事务完成，这样源外设永远不会进入单事务区。
目的地外设：目的地外设则会在剩余数据量小于 dst_burst_size_bytes 时进入单事务区。与源外设类似，如果 blk_size_bytes / dst_burst_size_bytes 是整数，那么目的地外设也将一直使用突发事务，不会进入单事务区。

6. DMA控制器不是流控制器时的行为

如果源或目的地外设是流控制器（即外设负责数据传输控制），则当外设发送信号指示最后一次事务时（例如，表示数据块的最后一部分需要传输时），DMA控制器会进入单事务区，传输剩余的数据。
这时，进入单事务区的条件是外设发出“最后事务”的信号，并且剩余的数据量少于突发事务的大小（即小于 src_burst_size_bytes 或 dst_burst_size_bytes）。

硬件握手接口（外设不是流控制器）

1. dma_ack（输出）

描述：dma_ack 是来自DMA控制器到外设的确认信号。它在当前事务（单事务或突发事务）的数据传输完成后被激活。
工作原理：
- 对于 单事务：dma_ack 在数据传输结束后保持激活，直到外设解除激活 dma_single 信号，然后 dma_ack 会在一个时钟周期后被取消。
- 对于 突发事务：dma_ack 在数据传输结束后保持激活，直到外设解除激活 dma_req 信号，然后 dma_ack 会在一个时钟周期后被取消。

2. dma_finish（输出）

描述：dma_finish 是由DMA控制器发出的信号，用于指示数据块的传输完成。它与 dma_ack 信号具有相同的时序。
工作原理：
- 如果最后的事务是一个 突发事务，dma_finish 信号会与外设的 dma_req 信号形成一个握手。
- 如果最后的事务是一个 单事务，dma_finish 信号会与外设的 dma_single 信号形成一个握手。
- 在一些特殊情况下，如源外设和目的地外设角色不同时，dma_finish 信号与 dma_req 信号的时序定义可能会有所不同。

3. dma_last（输入）

描述：dma_last 是一个输入信号，通常由外设提供，但在某些情况下被DMA控制器忽略。由于在DMA传输过程中，外设可能不是流控制器，因此DMA控制器不会采样这个信号。
工作原理：当外设不是流控制器时，dma_last 信号被忽略，DMA控制器并不依赖于该信号来判断传输是否完成。

4. dma_req（输入）

描述：dma_req 是外设请求DMA突发事务的信号。无论 dma_single 信号的状态如何，DMA控制器始终将 dma_req 视为突发事务请求。
工作原理：
- 这是一个电平敏感信号，也就是说外设一旦激活 dma_req，它必须保持激活状态，直到DMA控制器发出 dma_ack 信号。
- 当DMA控制器发出 dma_ack 信号表示突发事务完成时，外设应该解除激活 dma_req 信号。之后，DMA控制器才会解除激活 dma_ack 信号。
- 如果在 单事务区（Single Transaction Region）内检测到 dma_req 激活，DMA控制器会执行一个提前终止的突发事务（Early-Terminated Burst Transaction）。这意味着DMA控制器会在剩余数据量较少时提前终止当前的突发事务。

5. dma_single（输入）

描述：dma_single 是一个状态信号，由外设提供，表示外设是否准备好进行单次数据传输。
工作原理：
- 对于 目的地外设：当 dma_single 被激活时，表示目的地外设能够接收至少一个数据项；如果不能接收，则清除该信号。
- 对于 源外设：当 dma_single 被激活时，表示源外设能够传输至少一个数据项；如果不能传输，则清除该信号。
- 一旦 dma_single 信号被激活，它必须保持激活状态，直到DMA控制器发出 dma_ack 信号，之后外设才能解除激活 dma_single 信号。
- dma_single 信号只在 单事务区 中被采样。在该区外，DMA控制器会使用突发事务，因此 dma_single 信号会被忽略。

本文作者： ICXNM-ZLin
本文链接： https://talent-tudou.github.io/2024/11/29/DWC/AHB-DMAC/
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