【導(dǎo)讀】本文介紹在嵌入式系統(tǒng)程序中使用直接內(nèi)存訪問(DMA)的用例、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文描述了DMA如何與外設(shè)和內(nèi)存模塊交互，以提高CPU的運(yùn)行效率。還將為讀者介紹不同的DMA總線訪問架構(gòu)，及各自的優(yōu)點(diǎn)。
嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的一個常見任務(wù)是管理外部輸入。管理輸入會給處理器帶來很多不必要的計算壓力，導(dǎo)致處理器處于有功功率模式下的時間更長，響應(yīng)速度更慢。為了優(yōu)化功率，保持對事件的快速響應(yīng)以及管理大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，具有直接內(nèi)存訪問(DMA)的微控制器可提供更好的解決方案。
直接內(nèi)存訪問(DMA)
在涉及外設(shè)的系統(tǒng)應(yīng)用中，微處理器在許多點(diǎn)可能都會遭遇瓶頸。例如，在管理一個不斷發(fā)送數(shù)據(jù)的ADC時，處理器可能時常被中斷，導(dǎo)致它很難完成其他任務(wù)。DMA是一種在大型或快速數(shù)據(jù)處理事務(wù)中移動數(shù)據(jù)和盡量減少處理器參與的方法。您可以將DMA控制器當(dāng)做一個協(xié)處理器，它的唯一作用就是與存儲器和外設(shè)交互。通過這種方式，主處理器可以成功管理工作量大的外設(shè)，專注于處理其他任務(wù)，甚至可以在后臺處理數(shù)據(jù)時進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以節(jié)省功率。例如，在Arm?架構(gòu)上，DMA模塊可以在LP2（睡眠）或LP3（運(yùn)行）模式下運(yùn)行。對于需要更長的電池壽命的應(yīng)用，例如可穿戴傳感器中樞和智能手表，這具有明顯的優(yōu)勢。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
在許多數(shù)字系統(tǒng)中，DMA很有用處，有時甚至用于管理大量總線流量。它還用于網(wǎng)卡、顯卡，甚至一些原始的IBM個人電腦中。也就是說，將DMA集成到設(shè)計中時，確實(shí)需要進(jìn)行一些權(quán)衡考量。
表1. 使用DMA的優(yōu)點(diǎn)
表2. 使用DMA的缺點(diǎn)
總線訪問和CPU周期
雖然DMA控制器在節(jié)能或加速嵌入式系統(tǒng)方面非常有效，但它們的實(shí)現(xiàn)方案還沒有高度標(biāo)準(zhǔn)化。可以使用多種方案來確保不會與CPU同時授予內(nèi)部總線訪問權(quán)限。總線訪問方案的主要目標(biāo)是避免同時訪問相同的存儲器位置，以免發(fā)生緩存區(qū)不連續(xù)和邏輯錯誤。單個DMA控制器通常配置為采用這些方案之一，因?yàn)槭褂妹糠N方案可能需要不同的硬件或固件控制。大多數(shù)DMA控制器使用的總線訪問方案是突發(fā)、周期竊用和透明模式的DMA。
透明DMA一次只能執(zhí)行一項(xiàng)操作，但是，它也必須等待處理器執(zhí)行指令，以獲得對所需數(shù)據(jù)或地址總線的訪問。驗(yàn)證這種訪問限制需要使用額外的邏輯，這種類型DMA的速度通常最慢。在不需要訪問存儲器總線但需要進(jìn)行額外的處理的應(yīng)用中，透明DMA可能具有優(yōu)勢。在這種情況下，優(yōu)勢在于消除了對CPU的節(jié)流，因?yàn)樘幚砥鳠o需完全停止運(yùn)行。
表3. DMA類型及其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
圖1. DMA運(yùn)行期間，突發(fā)DMA的架構(gòu)圖。
突發(fā)DMA是借由不常見的大型突發(fā)事件發(fā)生，在此期間，DMA會根據(jù)緩沖區(qū)可以存儲的容量，向目標(biāo)緩沖區(qū)發(fā)送盡可能多的數(shù)據(jù)。DMA控制器會在短時間內(nèi)阻止CPU運(yùn)行，以移動大量內(nèi)存，然后將總線交還給主CPU，并一直重復(fù)該過程，直到傳輸完成。突發(fā)DMA通常被認(rèn)為是速度最快的類型。
圖2. 在DMA運(yùn)行期間，周期竊用DMA發(fā)生在兩個CPU周期之間。
相反，單字節(jié)傳輸或周期竊用DMA從CPU獲取提示，并且僅在CPU指令之間執(zhí)行操作。它在兩個CPU周期之間插入一個操作，因此實(shí)際上"竊取"了CPU時間。由于一次只能執(zhí)行一項(xiàng)操作的限制，它通常比突發(fā)DMA慢。
圖3. 在DMA運(yùn)行期間，透明DMA在處理器處理不訪問數(shù)據(jù)或地址總線的任務(wù)時發(fā)生。
突發(fā)DMA架構(gòu)示例
圖4. MAX32660上的DMA控制器的架構(gòu)圖。
關(guān)于突發(fā)DMA控制器示例，可以參見 MAX32660（參見圖4）。上方路徑對應(yīng)數(shù)據(jù)流，下方路徑代表先進(jìn)的高性能總線(AHB)和DMA邏輯之間的控制/狀態(tài)流。DMA控制器可以用作AHB和存儲器或外設(shè)模塊之間的緩沖區(qū)接口，具體取決于其配置方式。DMA邏輯位于DMA緩沖區(qū)和每個外設(shè)之間，用于在處理期間獨(dú)立管理每個唯一的外設(shè)總線。DMA運(yùn)行一次可以移動多達(dá)32個字節(jié)，只要源/目標(biāo)緩沖區(qū)中可以包含這么多數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)最高可存儲16 MB，除了內(nèi)部存儲器傳輸外，還可以配置為發(fā)送或接收I2C、SPI、I2S和UART。編程DMA控制可能會因協(xié)議的不同而略有不同，但外設(shè)事務(wù)完全由DMA控制器管理。仲裁模塊控制四個DMA通道和CPU之間的總線訪問限制，根據(jù)優(yōu)先級系統(tǒng)批準(zhǔn)請求。
現(xiàn)代DMA選項(xiàng)
總之，對于管理大量傳感器并要求高吞吐量、高效率和低功耗操作的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)來說，DMA是一個關(guān)鍵特性。它就像是一個專門用于處理存儲器和外設(shè)總線事務(wù)的協(xié)處理器。
許多應(yīng)用必須使用DMA，以盡可能降低功耗和減輕處理器負(fù)載。例如，健康和可穿戴設(shè)備可以處理大量的數(shù)據(jù)吞吐量，但它們也必須盡可能地節(jié)省電池電量，同時還要處理敏感數(shù)據(jù)。ADI公司在適用于低功耗可穿戴設(shè)備的微控制器上采用快速突發(fā)DMA架構(gòu)，例如 MAX32660 和 MAX32670。此外，DARWIN Arm微控制器（例如 MAX32666 ）是為集成Bluetooth? 5的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的。這些器件采用2個8通道突發(fā)DMA控制器，支持基于事件的事務(wù)。它們甚至配備了出色的安全硬件，具有安全引導(dǎo)加載程序和信任保護(hù)單元(TPU)，可以加速ECDSA、SHA-2和AES加密。從早期的IBM電腦到網(wǎng)卡，再到現(xiàn)在的安全、低功耗可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，DMA是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基本特征。
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