2.5. DMA 设备

2.5.1. 简介

DMA(Direct Memory Access) 是一种内存存取技术,可以独立地直接读写系统内存,而不需处理器介入处理。在同等 程度的处理器负担下,DMA 是一种快速的数据传送方式。博流系列 MCU 中 DMA 设备具有以下特性:

  • 控制器有 8 组独立专用通道

  • 四种传输方向:内存至内存、内存至外设、外设至内存、外设到外设

  • LLI 链表工作模式。

2.5.2. DMA 设备结构体定义

typedef struct dma_device
{
    struct device parent;
    uint8_t id;
    uint8_t ch;
    uint8_t direction;
    uint8_t transfer_mode;
    uint32_t src_req;
    uint32_t dst_req;
    uint8_t src_burst_size;
    uint8_t dst_burst_size;
    uint8_t src_width;
    uint8_t dst_width;
    dma_lli_ctrl_t *lli_cfg;
} dma_device_t;
  • parent 继承父类属性

  • id DMA id号,默认0,当前只有一个DMA

  • ch 通道号

  • direction 传输方向

  • transfer_mode 传输模式

  • src_req 源请求

  • dst_req 目标请求

  • src_burst_size 源突发字节数

  • dst_burst_size 目标突发字节数

  • src_width 源传输位宽

  • dst_width 目标传输位宽

  • lli_cfg 用来存储dma通道的一些信息,用户不用管

direction 提供以下类型

typedef enum {
    DMA_MEMORY_TO_MEMORY = 0,                        /*!< DMA transfer tyep:memory to memory */
    DMA_MEMORY_TO_PERIPH,                            /*!< DMA transfer tyep:memory to peripheral */
    DMA_PERIPH_TO_MEMORY,                            /*!< DMA transfer tyep:peripheral to memory */
    DMA_PERIPH_TO_PERIPH,                            /*!< DMA transfer tyep:peripheral to peripheral */
}dma_transfer_dir_type;

transfer_mode 提供以下类型

#define DMA_LLI_ONCE_MODE     0
#define DMA_LLI_CYCLE_MODE    1

src_req 提供以下类型

#define DMA_REQUEST_NONE        0x00000000 /*!< DMA request peripheral:None */
#define DMA_REQUEST_UART0_RX    0x00000000 /*!< DMA request peripheral:UART0 RX */
#define DMA_REQUEST_UART0_TX    0x00000001 /*!< DMA request peripheral:UART0 TX */
#define DMA_REQUEST_UART1_RX    0x00000002 /*!< DMA request peripheral:UART1 RX */
#define DMA_REQUEST_UART1_TX    0x00000003 /*!< DMA request peripheral:UART1 TX */
#define DMA_REQUEST_I2C0_RX     0x00000006 /*!< DMA request peripheral:I2C RX */
#define DMA_REQUEST_I2C0_TX     0x00000007 /*!< DMA request peripheral:I2C TX */
#define DMA_REQUEST_SPI0_RX     0x0000000A /*!< DMA request peripheral:SPI RX */
#define DMA_REQUEST_SPI0_TX     0x0000000B /*!< DMA request peripheral:SPI TX */
#define DMA_REQUEST_I2S_RX      0x00000014 /*!< DMA request peripheral:I2S RX */
#define DMA_REQUEST_I2S_TX      0x00000015 /*!< DMA request peripheral:I2S TX */
#define DMA_REQUEST_ADC0        0x00000016 /*!< DMA request peripheral:ADC0 */
#define DMA_REQUEST_DAC0        0x00000017 /*!< DMA request peripheral:DAC0 */
#define DMA_REQUEST_USB_EP0     0x00000018 /*!< DMA request peripheral:USB EP0*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP1     0x00000019 /*!< DMA request peripheral:USB EP1*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP2     0x0000001A /*!< DMA request peripheral:USB EP2*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP3     0x0000001B /*!< DMA request peripheral:USB EP3*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP4     0x0000001C /*!< DMA request peripheral:USB EP4*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP5     0x0000001D /*!< DMA request peripheral:USB EP5*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP6     0x0000001E /*!< DMA request peripheral:USB EP6*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP7     0x0000001F /*!< DMA request peripheral:USB EP7 */

dst_req 提供以下类型

#define DMA_REQUEST_NONE        0x00000000 /*!< DMA request peripheral:None */
#define DMA_REQUEST_UART0_RX    0x00000000 /*!< DMA request peripheral:UART0 RX */
#define DMA_REQUEST_UART0_TX    0x00000001 /*!< DMA request peripheral:UART0 TX */
#define DMA_REQUEST_UART1_RX    0x00000002 /*!< DMA request peripheral:UART1 RX */
#define DMA_REQUEST_UART1_TX    0x00000003 /*!< DMA request peripheral:UART1 TX */
#define DMA_REQUEST_I2C0_RX     0x00000006 /*!< DMA request peripheral:I2C RX */
#define DMA_REQUEST_I2C0_TX     0x00000007 /*!< DMA request peripheral:I2C TX */
#define DMA_REQUEST_SPI0_RX     0x0000000A /*!< DMA request peripheral:SPI RX */
#define DMA_REQUEST_SPI0_TX     0x0000000B /*!< DMA request peripheral:SPI TX */
#define DMA_REQUEST_I2S_RX      0x00000014 /*!< DMA request peripheral:I2S RX */
#define DMA_REQUEST_I2S_TX      0x00000015 /*!< DMA request peripheral:I2S TX */
#define DMA_REQUEST_ADC0        0x00000016 /*!< DMA request peripheral:ADC0 */
#define DMA_REQUEST_DAC0        0x00000017 /*!< DMA request peripheral:DAC0 */
#define DMA_REQUEST_USB_EP0     0x00000018 /*!< DMA request peripheral:USB EP0*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP1     0x00000019 /*!< DMA request peripheral:USB EP1*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP2     0x0000001A /*!< DMA request peripheral:USB EP2*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP3     0x0000001B /*!< DMA request peripheral:USB EP3*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP4     0x0000001C /*!< DMA request peripheral:USB EP4*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP5     0x0000001D /*!< DMA request peripheral:USB EP5*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP6     0x0000001E /*!< DMA request peripheral:USB EP6*/
#define DMA_REQUEST_USB_EP7     0x0000001F /*!< DMA request peripheral:USB EP7 */

src_burst_size 提供以下类型

#define DMA_BURST_1BYTE     0
#define DMA_BURST_4BYTE     1
#define DMA_BURST_8BYTE     2
#define DMA_BURST_16BYTE    3

dst_burst_size 提供以下类型

#define DMA_BURST_1BYTE     0
#define DMA_BURST_4BYTE     1
#define DMA_BURST_8BYTE     2
#define DMA_BURST_16BYTE    3

src_width 提供以下类型

#define DMA_TRANSFER_WIDTH_8BIT  0
#define DMA_TRANSFER_WIDTH_16BIT 1
#define DMA_TRANSFER_WIDTH_32BIT 2

dst_width 提供以下类型

#define DMA_TRANSFER_WIDTH_8BIT  0
#define DMA_TRANSFER_WIDTH_16BIT 1
#define DMA_TRANSFER_WIDTH_32BIT 2

2.5.3. DMA 设备参数配置表

每一个 DMA 设备都有一个参数配置宏,宏定义位于 bsp/board/xxx 目录下 peripheral_config.h 文件,变量定义位于 hal_dma.c 中,因此无需用户自己定义变量。当用户打开对应设备的宏,该设备的配置才生效。例如打开宏 BSP_USING_DMA0_CH0DMA0_CH0_CONFIG 即生效,同时DMA 通道0设备就可以进行注册和使用了。

/*参数配置宏*/
#if defined(BSP_USING_DMA0_CH0)
#ifndef DMA0_CH0_CONFIG
#define DMA0_CH0_CONFIG \
{   \
 .id = 0, \
 .ch = 0,\
 .direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY,\
 .transfer_mode = DMA_LLI_ONCE_MODE, \
 .src_req = DMA_REQUEST_NONE, \
 .dst_req = DMA_REQUEST_NONE, \
 .src_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_32BIT , \
 .dst_width = DMA_TRANSFER_WIDTH_32BIT , \
}
#endif
#endif


/*变量定义*/
static dma_device_t dmax_device[DMA_MAX_INDEX] =
{
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH0
    DMA0_CH0_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH1
    DMA0_CH1_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH2
    DMA0_CH2_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH3
    DMA0_CH3_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH4
    DMA0_CH4_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH5
    DMA0_CH5_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH6
    DMA0_CH6_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH7
    DMA0_CH7_CONFIG,
#endif
};

注解

上述配置可以通过 DMA_DEV(dev)->xxx 进行修改,只能在调用 device_open 之前使用。

2.5.4. DMA 设备接口

DMA 设备接口全部遵循标准设备驱动管理层提供的接口。并且为了方便用户调用,将某些标准接口使用宏来重定义。

2.5.4.1. dma_register

dma_register 用来注册一个 DMA 设备标准驱动接口,在注册之前需要打开对应 DMA 设备的通道宏定义。例如定义宏 BSP_USING_DMA_CH0 方可使用 DMA 设备的 0 通道,注册完成以后才可以使用其他接口,如果没有定义宏,则无法使用 DMA 设备的 0 通道。

int dma_register(enum dma_index_type index, const char *name);
  • index 要注册的设备索引

  • name 为注册的设备命名

index 用来选择 DMA 设备某个通道的配置,一个 index 对应一个 DMA 设备的一个通道配置,比如 DMA_CH0_INDEX 对应 DMA 通道0 配置,index 有如下可选类型

enum dma_index_type
{
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH0
    DMA0_CH0_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH1
    DMA0_CH1_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH2
    DMA0_CH2_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH3
    DMA0_CH3_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH4
    DMA0_CH4_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH5
    DMA0_CH5_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH6
    DMA0_CH6_INDEX,
#endif
#ifdef BSP_USING_DMA0_CH7
    DMA0_CH7_INDEX,
#endif
    DMA_MAX_INDEX
};

2.5.4.2. device_open

device_open 用于打开一个 DMA 设备的一个通道,实际调用 dma_open

int device_open(struct device *dev, uint16_t oflag);
  • dev 设备句柄

  • oflag 设备的打开方式

  • return 错误码,0 表示打开成功,其他表示错误

oflag 提供以下类型

#define DEVICE_OFLAG_STREAM_TX  0x001 /* 设备以轮训发送模式打开 */
#define DEVICE_OFLAG_STREAM_RX  0x002 /* 设备以轮训接收模式打开 */
#define DEVICE_OFLAG_INT_TX     0x004 /* 设备以中断发送模式打开 */
#define DEVICE_OFLAG_INT_RX     0x008 /* 设备以中断接收模式打开 */
#define DEVICE_OFLAG_DMA_TX     0x010 /* 设备以 DMA 发送模式打开 */
#define DEVICE_OFLAG_DMA_RX     0x020 /* 设备以 DMA 接收模式打开 */

2.5.4.3. device_close

device_close 用于关闭 DMA 设备的一个通道,实际调用 dma_close

int device_close(struct device *dev);
  • dev 设备句柄

  • return 错误码,0 表示关闭成功,其他表示错误

2.5.4.4. device_control

device_control 用于对 DMA 设备的一个通道进行控制和参数的修改,实际调用 dma_control

int device_control(struct device *dev, int cmd, void *args);
  • dev 设备句柄

  • cmd 设备控制命令

  • args 控制参数

  • return 不同的控制命令返回的意义不同。

DMA 设备除了标准的控制命令,还具有自己特殊的控制命令。

#define DMA_CHANNEL_GET_STATUS  0x10
#define DMA_CHANNEL_START       0x11
#define DMA_CHANNEL_STOP        0x12
#define DMA_CHANNEL_UPDATE      0x13

args 根据不同的 cmd 传入不同,具体如下:

table1

cmd

args

description

DEVICE_CTRL_SET_INT

NULL

开启 dma 传输完成中断

DEVICE_CTRL_CLR_INT

NULL

关闭 dma 传输完成中断

DMA_CHANNEL_GET_STATUS

NULL

获取 dma 通道完成状态

DMA_CHANNEL_START

NULL

开启 dma 通道

DMA_CHANNEL_STOP

NULL

关闭 dma 通道

DMA_CHANNEL_UPDATE

NULL

更新 dma 传输配置

2.5.4.5. device_set_callback

device_set_callback 用于注册一个 DMA 设备的一个通道中断回调函数。

int device_set_callback(struct device *dev, void (*callback)(struct device *dev, void *args, uint32_t size, uint32_t event));
  • dev 设备句柄

  • callback 要注册的中断回调函数

    • dev 设备句柄

    • args 无用

    • size 无用

    • event 中断事件类型

event 类型如下

enum dma_event_type
{
    DMA_EVENT_COMPLETE,
};

2.5.4.6. dma_channel_start

dma_channel_start 用于开启 DMA 通道。实际是调用 device_control ,其中 cmdDMA_CHANNEL_START

dma_channel_start(dev)
  • dev 需要开启的 dma 通道句柄

2.5.4.7. dma_channel_stop

dma_channel_stop 用于关闭一个 DMA 通道。实际是调用 device_control ,其中 cmdDMA_CHANNEL_STOP

dma_channel_stop(dev)
  • dev 需要关闭的 dma 通道句柄

2.5.4.8. dma_channel_update

dma_channel_update 用于更新 DMA 的一个通道配置。实际是调用 device_control ,其中 cmdDMA_CHANNEL_UPDATE

dma_channel_update(dev,list)
  • dev 需要更新的 dma 通道句柄

  • list dma_lli_ctrl_t句柄

2.5.4.9. dma_channel_check_busy

dma_channel_check_busy 用于查询当前使用的 DMA 通道是否传输完成。实际是调用 device_control ,其中 cmdDMA_CHANNEL_GET_STATUS

dma_channel_check_busy(dev)
  • dev 需要查询的 dma 通道句柄

  • return 当前 dma 状态,0为传输完成,1为未传输完成

2.5.4.10. dma_reload

dma_reload 用于更新 DMA 一个通道的配置,相比于 dma_channel_update ,该函数无需用户传递很多参数,只需要填入源地址和目标地址,以及长度,内部会自己计算后再进行配置。此函数调用后,DMA通道是没有开启的,需要手动调用 dma_channel_start 函数。

int dma_reload(struct device *dev, uint32_t src_addr, uint32_t dst_addr, uint32_t transfer_size);
  • dev 需要查询的DMA通道句柄

  • src_addr 传输源地址

  • dst_addr 传输目标地址

  • transfer_size 传输字节总长度,如果传输的位数是16位、32位,这里需要进行转换成字节长度。

2.5.5. DMA 的效率与FIFO

2.5.5.1. 内存到内存

  • DMA在搬运数据时,会以设定的位宽 xxx_width 与 设定的突发量 xxx_burst_size 去访问总线进行数据读写,在内存到内存的搬运时,一般 source 端与 destination 端的配置相同。

  • 在总的数据量(data size)不变的情况下,位宽 xxx_width 越大传输速度越快,效率越高,但传输的数据总量(data size)必须是位宽 xxx_width 的整倍数,数据的地址也必须是 xxx_width 的整倍数(地址对齐),否则会出错。

  • 在连续读写时,burst 突发模式的总线利用效率比 single 单次模式高得多,因此可以尽量提高 xxx_burst_size,但注意,DMA0 的每个通道只有 16Byte 的 FIFO,因此 width 乘 burst_size 的积必须小于等于 16Byte。

因此在内存到内存搬运数据时,最高效的是 xxx_width 值为 DMA_TRANSFER_WIDTH_32BIT, xxx_burst_size 值为 DMA_BURST_4BYTE,此时完全利用了 DMA 的FIFO,读写最快,总线占用最少,但要求数据量与地址满足对齐要求。

2.5.5.2. 外设到内存 与 内存到外设

很多传输接口外设是存在 tx-FIFO 与 rx-FIFO 的,这些 FIFO 可以让外设的使用更加灵活方便,在与 DMA 配合使用时也可以增加效率。

  • 在使用 DMA-接口外设 发送数据时,注意 DMA 的 des_width 与外设的 tx-FIFO 有效数据宽度应当一致,如使用 UART 时一般为 DMA_TRANSFER_WIDTH_8BIT。接收数据时 DMA 的 src_width 与 rx-FIFO 有效数据宽度也要一致。

  • 外设端的 burst_size 对 外设的 FIFO 深度有要求,burst_size 必须小于等于 外设配置的 fifo_threshold 以保证不会出现写溢出或读溢出。

  • 内存端配置的 burst_size 和 width 与外设端的可以不相等,但 burst_size 与 width 的乘积必须相等,并且小于 16Byte。内存端配置更高的 xxx_width 可以提高传输速度,减少对总线占用,但注意对数据量(data size)与地址的对齐要求。

如对于 I2S ,他的 tx 与 rx 的 FIFO 深度都为 8,I2S 最佳的 fifo_threshold 应为 4,DMA 的 xxx_burst_size 应该为 DMA_BURST_4BYTE,这样能保证 I2S 的 FIFO 能留有一定余量防止出现 rx-FIFO 溢出与 tx-FIFO 欠载,又减少 DMA 了对总线的占用。

又如对于 SPI ,他的 tx 与 rx 的 FIFO 深度都为 4,若使用 burst_size 为 4 的方式传输,那么 SPI 的 fifo_threshold 只能是 4,没有冗余,若此时 CPU 在占用总线导致 DMA 传输不及时,可能会出现SPI传输间歇,在SPI从机模式下还可能出现发送欠载与接收溢出。 因此对于 SPI 而言,最佳的 fifo_threshold 应为 1,DMA 的 xxx_burst_size 应为 DMA_BURST_1BYTE,此时 DMA 虽然对总线的访问效率一般,但保证了 SPI 的 FIFO 有冗余,不会出现上诉问题。