引言

　　隨著微電子技術的飛速發展，集成電路規模按照摩爾定律（微芯片上集成的晶體管數目每18個月翻一番）飛速提高，片上系統（SystemOnChip，簡稱SOC）技術成為國際超大規模集成電路的發展趨勢。在SOC系統設計中，為了能夠快速、穩定的形成產品，IP核積累和復用技術逐漸成為各個芯片廠商的首選。在這樣的背景下，IP復用技術成為了集成電路設計的一個重要分支，很多設計廠商在購買其它公司的IP核的同時，也越來越重視本公司的IP核設計和積累。

　　DMA控制器是常見的總線設備之一，很多廠商都有自己的DMA控制器IP核。比如嵌入式處理器的龍頭ARM公司就有自己的DMA控制器解決方案提供給客戶，另外像Freescale，Fujitsu等芯片制造廠商都有自己的解決方案。本文通過介紹一種基于ARM總線之一的AHB總線的DMA控制器的IP核設計，簡述了IP核設計的流程和需要重點注意的地方。

　　DMA控制器

　　功能描述

　　一般而言，DMA控制器的功能與結構是由本單位特定的系統結構決定的。但是作為IP而言，DMA控制器又要有其一般性。DMA是指外部設備直接對計算機存儲器進行讀寫操作的I/O方式。這種方式下數據的讀寫無需CPU執行指令，也不經過CPU內部寄存器，而是利用系統的數據總線，由外設直接對存儲器寫入或讀出，從而達到極高的傳輸速率?，F在DMA也可以在內存之間或是外設之間直接進行數據操作。DMA技術的重要性在于，利用它進行數據存取時不需要CPU進行干預，可提高系統執行應用程序的效率。利用DMA傳送數據的另一個好處是數據直接在源地址和目的地址之間傳送，不需要是中間媒介。

　　通用的DMA控制器應具有一下功能：

　　1.編程設定DMA的傳輸模式及其所訪問內存的地址區域。

　　2.屏蔽或接受外設或軟件的DMA請求。當有多個設備同時請求時，還要進行優先級排隊，首先響應最高級的請求。

　　3.向CPU或總線仲裁設備提出總線請求。

　　4.接收總線響應信號，接管總線控制。

　　5.在DMA控制器的管理下實現外設和存儲器、外設和外設或存儲器之間的數據直接傳輸。

　　6.在傳輸過程中進行地址修改和傳輸量計數。當要求的數據傳送完后，撤銷總線請求，交還總線控制權。

　　總而言之，DMA控制器一方面可以接管總線，直接在I/O接口和存儲器之間進行讀寫操作，即可以像CPU一樣視為總線的主設備，這是DMA與其它外設最根本的區別;另一方面，作為一個I/O器件，其DMA控制功能正式通過初始化編程來設置的。當CPU對其寫入或讀出時，它又和其它的外設一樣成為總線的從屬器件。

　　而作為專用的DMA控制器又會有其特定的功能要求。比如對于AHB總線而言，需要支持Burst操作。另一方面，現在多數支持操作系統的嵌入式系統或計算機系統都使用虛擬內存技術。這一技術的使用使得在操作系統層面上看到內存地址與物理地址間并非一一映射，操作系統層面上連續的內存地址在真實的物理內存上并不一定連續。但是DMA控制器并不一定了解這一現象。為了解決這一問題并提高傳輸效率，多數在高級嵌入式系統中使用的DMA控制器支持分散/集合LLI（LogicLinkItem）技術。

　　設計指標本

　　DMA控制器的主要指標如下：

　　$16個DMA通道，其中6個為獨立的軟件通道，另10個為軟硬件復用的通道。

　　$DMA讀數據與寫數據獨立進行。

　　$各通道獨立編程，獨立初始化。

　　$支持軟件復位。

　　$全面支持AHB總線協議。

　　$支持LLI技術。

　　總體設計

　　DMA控制器主要包括以下幾個模塊，其結構圖如圖1所示。

　　$APB接口模塊：該部分主要實現APB總線讀寫協議，并通過ARM配置DMA控制器的寄存器。

　　$控制寄存器模塊：該部分通過APB總線進行配置，獲得DMA控制器的控制信息。該模塊主要由命令控制寄存器、狀態寄存器和中斷寄存器組成。

　　$DMA控制狀態機模塊：本模塊是DMA控制器的核心部分，負責發起和中止每一次DMA傳輸，同時負責每次DMA傳輸過程中的狀態轉換。

　　$通道模塊：該模塊包含了16個通道，其中10個是軟、硬件復用的，另外6個是軟件專用的。前者除了有常規的寄存器組外，還要負責檢測硬件的DMA傳輸請求;而后者則沒有這部分功能，但后者要支持LLI功能。常規的通道寄存器組由各個通道的源地址、目的地址、傳輸長度以及通道控制寄存器等組成。

　　$優先級控制模塊：本模塊有狀態寄存器和請求寄存器。ARM通過編程確定各個通道的優先級順序。當有多個DMA請求同時出現的時候，通過此模塊確定哪個請求優先被響應。

　　$AHB總線接口模塊：本模塊負責實現AHB總線讀寫協議。

　　工作原理及流程

　　作為DMA控制器有其特殊性，主要體現在它既是總線的從設備，又是總線的主設備。因此，DMA控制器有兩個主要的狀態——空閑態與工作態。當DMA控制器處于空閑態時，它就相當于一個總線的從設備，受到ARM的管理與控制。ARM通過編程配置DMA控制器的寄存器。