一種基于CPLD的DMA控制器IP核設(shè)計(jì)

1、前言

單片機(jī)以其高可靠性，高性能價(jià)格比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)家族的眾多成員中，MSC一51系列單片機(jī)占領(lǐng)了廣闊的市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

但是由于8013硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的限制，當(dāng)需要高速率大批量數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)吞吐速率往往不能滿足設(shè)計(jì)要求。即使采用提升振蕩器頻率的辦法，結(jié)果仍不盡如人意，所以尋找一種新的數(shù)據(jù)傳輸方法顯得很有必要，這不僅使人想到通用計(jì)算機(jī)的DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2、DMA簡(jiǎn)介

DMA數(shù)據(jù)傳送是由DMA控制器完成的。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在內(nèi)存和FO設(shè)備之間進(jìn)行。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)，修改地址，對(duì)傳送字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。

DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快。由于CPU不參與數(shù)據(jù)傳送操作，因此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，沒(méi)有保存現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)等等，也不是由軟件實(shí)現(xiàn)，而是用硬件線路直接實(shí)現(xiàn)的。所以DMA方式能滿足高速FO設(shè)備的要求，也有利于CPU效率的發(fā)揮。

3、標(biāo)準(zhǔn)8031數(shù)據(jù)傳輸與DMA數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比

MCS一15單片機(jī)讀寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序如圖1所示。

在圖(1)a的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀周期中，P2口輸出外部RAM單元的高八位地址，P0口分時(shí)傳送低八位地址及數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)刂锋i存信號(hào)ALE為高電平時(shí)，印口輸出的地址信息有效，A比的下降沿將此地址打人外部地址鎖存器，接著即口變?yōu)檩斎朔绞?，讀信號(hào)RD有效，選通外部RAM，相應(yīng)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容送到印口上，由CPU讀人累加器。

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫周期波形如圖(1)b所示，其操作過(guò)程與讀周期類似。寫操作時(shí)，在A比下降為低電平以后，WR信號(hào)才有效，PO口上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)寫人相應(yīng)的RAM單元。

CPU把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器傳輸?shù)紽O口，需要以下步驟:

·MovxA，@DPrR;從存儲(chǔ)器讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)(24個(gè)振蕩周期)

·MOVX@DPrR，A;將數(shù)據(jù)寫人到FO口(24個(gè)振蕩周期)

DMA控制器把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器傳輸?shù)紽O設(shè)備稱為讀傳送，在這個(gè)周期里，產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址，并輸出存儲(chǔ)器讀(MEMR)和10口寫(row)信號(hào)。其時(shí)序如圖2所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，設(shè)備向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求DREQ信號(hào)，DMA控制器接到請(qǐng)求后向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ，CPU在現(xiàn)行的機(jī)器周期結(jié)束后，發(fā)出總線保持信號(hào)HLDA，于是DMA控制器就接管總線，向地址總線發(fā)出地址信號(hào)，給出存儲(chǔ)器讀和ro口寫的命令，就可把存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送到FO口上。然后修改地址指針，增或減數(shù)據(jù)寬度計(jì)數(shù)器，檢查傳送是否結(jié)束，若未結(jié)束則循環(huán)至整個(gè)數(shù)據(jù)傳送完。

整個(gè)數(shù)據(jù)傳送完后，DMA控制器撤銷總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ，同時(shí)輸出傳送結(jié)束信號(hào)EOP。CPU接收到EOP信號(hào)后，在下一個(gè)周期就可以重新控制總線。

從以上對(duì)比分析可以看出，從存儲(chǔ)器往FO口傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)，使用標(biāo)準(zhǔn)8031至少需要48個(gè)振蕩周期，而用DMA控制器僅需2個(gè)振蕩周期，效率大大高于前者，尤其是在做塊傳送時(shí)，效果更為顯著。

4、用CPLD實(shí)現(xiàn)DMA傳輸在顯示屏掃描卡上的應(yīng)用

顯示屏掃描卡的功能是將存儲(chǔ)在RAM中的圖像數(shù)據(jù)按照預(yù)定的顯示方式進(jìn)行處理，再發(fā)送到比D顯示屏上。其中絕大部分時(shí)間，CPU的工作是將處理好的數(shù)據(jù)以很高的速率發(fā)送到LED顯示屏上，來(lái)保證良好的視覺(jué)效果。

考慮到系統(tǒng)的簡(jiǎn)化、靈活、高集成度，這里選擇用CPLD實(shí)現(xiàn)CPU停機(jī)方式DMA讀傳輸功能來(lái)完成數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器到LED顯示屏的傳送工作。

整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸工作分以下幾個(gè)步驟:①CPu準(zhǔn)備數(shù)據(jù);②CPU配置DMA控制器。例如數(shù)據(jù)傳送首地址，傳送字節(jié)數(shù);③CPU向DMA控制器提出DMA請(qǐng)求(DREQ)。由于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作是由CPU完成的，所以傳送請(qǐng)求也由CPU提出;④DMA接到請(qǐng)求后，向CPU提出總線請(qǐng)求(HRQ);⑤CPU釋放總線，同時(shí)向DMA發(fā)出總線保持信號(hào)(HLDA);⑥D(zhuǎn)MA接管總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

由于本系統(tǒng)中準(zhǔn)備數(shù)據(jù)是由CPU完成的，也就是說(shuō)CPU完全清楚何時(shí)需要釋放總線進(jìn)行DMA傳送，所以可將步驟3、4省略，即DREQ和HRQ信號(hào)省略。其原理圖如圖3所示。

圖3中，CTRL為中心控制核，它按照設(shè)定的傳輸字節(jié)數(shù)產(chǎn)生地址計(jì)數(shù)脈沖CLK，讀信號(hào)MR(該信號(hào)經(jīng)742科驅(qū)動(dòng)后成為存儲(chǔ)器讀和FO口寫信號(hào))，傳輸結(jié)束信號(hào)EOP。CTRL內(nèi)部定義了一個(gè)8位鎖存器和一個(gè)9位減法計(jì)數(shù)器。WIDTH為置數(shù)控制端，當(dāng)饑DTH為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線上的傳送字節(jié)數(shù)送入CTRL中，WID儀為高電平時(shí)數(shù)據(jù)鎖存。EN為計(jì)數(shù)使能，為高時(shí)傳送字節(jié)數(shù)送人9位減法計(jì)數(shù)器的高8位中，減法計(jì)數(shù)器的最低位置0，同時(shí)CTRL將EOP腳(傳送結(jié)束信號(hào))置高，EN變低后，減法計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘XT下降沿作用下做減1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值減到0時(shí)CTRL停止減計(jì)數(shù)并將EOP信號(hào)置低，通知CPU傳送結(jié)束。其控制時(shí)序如圖4所示。

cTRL的vHDL程序

BEGIN

cKL<=cnt(0);一地址計(jì)數(shù)脈沖輸出

MEMR<=NOTcnt(0);一RAM讀信號(hào)輸出

PROCESS(WIDTH)

BEGIN

FIiwDTH=0’THEN一置人傳送字節(jié)數(shù)

圖3中，COUNT16是16位加法計(jì)數(shù)器。DPH、DPL是地址高8位和低8位置數(shù)控制端，低電平有效。EN為計(jì)數(shù)使能，為低時(shí)，在由CTRL產(chǎn)生的脈沖作用下做加1計(jì)數(shù)。

平時(shí)CPU具有地址總線的控制權(quán)，DMA控制器的地址線A15一AO、存儲(chǔ)器讀MEMR、FO口寫IOW輸出均為高阻。當(dāng)需要做DMA數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先CPu將傳送的數(shù)據(jù)寬度、被傳送數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器的首地址寫人DMA控制器，然后將HDLA置高，讓出地址總線控制權(quán)。DMA控制器檢測(cè)到HLDA變高后，cTRL按照預(yù)定的傳送數(shù)據(jù)寬度，輸出地址計(jì)數(shù)脈沖和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)MEMR，couN1T6在地址計(jì)數(shù)脈沖作用下，在首地址基礎(chǔ)上做加1計(jì)數(shù)，輸出16位地址。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢，EOP輸出低電平，通知CPU數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。CPU通過(guò)查詢或中斷方式檢測(cè)到EOP的低電平信號(hào)后，將HLDA拉低，DMA控制器接到HDLA變低的信號(hào)后將EOP信號(hào)置高，釋放地址總線控制權(quán)，結(jié)束整個(gè)DMA傳送過(guò)程。圖5是DMA控制器的仿真波形圖。

8031操作DMA控制器的5C1程序

void DMA(unsigned int address，unsignedcha

len){

WIDTH

ADDL

=len;/*設(shè)置傳送數(shù)據(jù)寬度*/

=(unsi卯edchar)address%256;/*設(shè)置傳送數(shù)據(jù)首地址*/

ADDH=(unsignedchar)address/256;

EN=0;/*啟動(dòng)DMA傳送*/

while(IN功==1);/*等待傳輸結(jié)束*/

EN=1;

5、結(jié)束語(yǔ)

以上所闡述的只是DMA控制器的一種使用特例，真正的DMA控制器功能要更為強(qiáng)大，但對(duì)于顯示屏掃描卡來(lái)說(shuō)，這些已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求了，并且使數(shù)據(jù)傳輸速率有了顯著的提高。