基于DSP的DMA控制技术概述

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TMS320C2XX是美国TI公司推出的一种低价格、高性能的16位定点运算数字信号处理器(DSP),它的性价比极高,目前已成为高档单片机的理想替代品,在通信、语音处理、军事、仪器仪表、图像处理等领域得到了广泛的应用。在以TMS320C2XX为核心的数字化语言学习系统中,为了满足系统的实时性要求,并且提高系统的音质和负载能力,声卡与存储器之间的数据传送已经不能采用程序查询控制方式,因此我们考虑采用直接存储器访问(DMA)控制。直接存储器访问控制是指数据传送时不需要CPU的介入,I/O设备和存储器直接交换信息。DMA方式的数据传送与程序查询方式的数据传送相比,具有数据传送速度高、I/O响应时间短、CPU额外开销小的明显优点。本文根据课题需要,通过分析TMS320C2XX使用保持(HOLD)操作的直接存储器访问(DMA)和DMA控制器8237-5的工作原理,解决了DSP芯片TMS320F206与DMA控制器8237-5的软、硬件接口问题,实现了DMA 在数字化语言学习系统中的应用。
1 TMS320C2XX使用HOLD操作的直接存储器访问
TMS320C2XX的HOLD操作允许对外部程序、数据以及I/O空间进行直接存储器访问。该过程由/HOLD和/HOLDA两个信号控制。
(1)/HOLD。外部设备可以把该引脚驱动到低电平从而请求对外部总线的控制。如果HOLD/INT1中断线被允许,那么将触发中断。
(2)/HOLDA。在响应/HOLD中断时,软件逻辑可以使处理器发出/HOLD应答信号,表示它将放弃对其外部总线的控制。根据 /HOLDA,外部地址信号(A15～A0)、数据信号(D15～D0)以及存储器控制信号(/PS,/DS,/BR,/STRB,R/W,/RD, /WE)被置为高阻状态。
在我们的设计中,HOLD/INT1中断服务子程序只用于HOLD操作以便控制DMA传送,因此DSP的中断控制寄存器(ICR)中的方式 (MODE)位置为0。此时,中断线INT1对下降沿和上升沿二者都敏感。当CPU检测到下降沿时,它完成正在执行的当前指令,然后迫使程序控制转到中断服务子程序。在成功的测试到MODE=0之后,此子程序执行IDLE(空闲)指令。根据IDLE,/HOLDA变为有效而外部总线被置为高阻状态。只有在检测到HOLD/INT1引脚上的上升沿之后,CPU才退出IDLE状态,/HOLDA变为无效,并使外部总线返回到正常状态。
HOLD操作的子程序将在本文最后结合具体示例中给出,应该注意的是:IDLE指令应当放在中断服务子程序内以便发出/HOLDA。同时要注意的是:中断程序代码禁止除HOLD/INT1之外的所有可屏蔽中断,从而允许/HOLDA和总线的安全恢复。
2 DMA控制器8237-5的工作原理
8237-5是一个高性能的40引脚双列直插式可编程DMA控制器芯片,可以方便地与DSP微处理器相连,实现外部设备与存储器之间的数据交换。其内部结构和引脚信号可参阅参考文献[2]。该控制器通过编程可提供多种类型的控制特性,以优化系统性能,增大数据吞吐量,最高数据传输速率可达 1.5MB/S。
DMA控制器实现DMA传送的控制原理可用图1的信息流示意图表示。现结合该图将DMA控制原理操作顺序说明如下:

①I/O设备准备好后,向DMA控制器(DMAC)发出DMA请求信号DMARQ。
②DMAC向CPU发出总线请求信号BUSRQ。
③按照预定的DMAC占用总线方式,CPU响应BUSRQ,向DMAC发出总线确认信号BUSAK。从这时起,CPU总线控制权交由DMAC接管,开始进入DMA有效周期,如图1中阴影部分所示。
④DMAC接管总线后,先向I/O设备发出DMA请求的响应信号DACK,表示允许外设进行DMA传送。然后按事先设置的初始地址和需传送的字节数,依次发送地址和读写命令,使RAM和I/O设备直接交换数据,直至全部数据交换完毕。
⑤DMA传送结束后,自动撤消向CPU的总线请求信号BUSRQ,从而使BUSAK和DACK相继变为无效,CPU又重新控制总线,恢复正常工作。
3 DSP与DMA控制器8237-5的接口电路
通过上述分析可以知道,DSP与8237-5的接口关键是要解决DSP的/HOLD、/HOLDA信号与8237-5的总线保持请求输出信号 HRQ(即BUSRQ)、总线保持响应输入信号HLDA(即BUSAK)之间的联系问题。图2给出DSP与8237-5的接口电路。

1)数据线、地址线可以直接相连,8237-5仅使用8根数据线和地址线。
(2)由于8237-5要向DSP申请对外部总线的控制,所以DSP的/HOLD信号决定于HRQ,而二者的有效电平正好是反相关系;另一方面,当DSP在合适程序代码的协助下使/HOLDA有效,从而对/HOLD有效作出响应时,它就应该通知DMAC可以获得总线控制权,那么可以将 /HOLDA反相后发给8237-5的HLDA，从而使得该信号变高成为有效,8237-5得以接管总线。因此HLDA、/HOLD信号线的译码逻辑关系如下:
　　HLDA=/HOLDA
　　/HOLD=HRQ
　　一次DMA操作的时序关系如图3所示。

可见,当8237-5任一通道的DREQ被置为有效电平且相应通道的屏蔽位被清除时,就使HRQ信号变为高电平,从而使DSP的/HOLD变低,表示有外部设备请求对外部总线的控制。随即DSP发出/HOLDA来响应/HOLD,8237-5的HLDA变高,取得总线控制权,并产生相应的 DMA响应信号DACK以通知外设。完成DMA周期后,总线又回到正常状态。


4 软件编程
实现DMA控制方式的软件编程主要包括DMA控制器8237-5的初始化、DSP的HOLD操作以及外设初始化相关设置等三部分。根据所实现的具体功能不同,各部分的一些细节可能有所区别。
下面给出DMA控制方式在以DSP为核心的语言学习系统中的一个具体应用。它可以实现DMA方式的采样和回放,用于两个人之间的全双工会话功能。所用外设是声卡。由于要同时进行采样和回放,所以8237-5需要使用两个DMA通道。
4.1 8237-5的初始化
8237-5初始化的一般内容可参阅参考文献[2],关键在于方式寄存器和命令寄存器的规定。根据全双工会话功能的具体要求,本例程的方式寄存器和命令寄存器初始化如下:
splk  #0049h，60h           ;方式寄存器,通道1,读传送,
    out   60h，dma_mode_res     地址增,单字节传送，禁止自动预置。
    splk  #0047h，60h          ;方式寄存器,通道3,写传送,
    out   60h，dma_mode_res 地址增,单字节传送，禁止自动预置。
    splk  #0000h，60h           ;命令寄存器,禁止存储器
out   60h，dma_command_res 到存储器传送,禁止通道0地址保持,允许芯片工作,正常时序,固定优先级,滞写入选择,DREQ高电平有效,DACK低电平有效。
4.2 声卡初始化中的相关设置
声卡一般默认DMA0=1为回放通道、DMA1=3为采样通道,这在其PNP初始化中规定。I9寄存器用于禁止声卡并行传送方式,启动DMA方式:
　　splk    #0049h，60h      ;select I9 ，MCE=1。
　　out     60h，534h
　　splk    #001bh，60h      ;全校准,禁止PIO方式,允许DMA采样和回放。
　　out     60h，535h        
声卡还有几个与DMA操作有关的寄存器:I14、I15、I30、I31。I14、I15用于设定DMA回放的计数基值,I30、I31则用于设定DMA采样的计数基值。它可以产生一个中断以方便用户做相应处理。
4.3 DSP的HOLD操作中断服务子程序
inpt1:  in  dsp_icr，icr    ;读 DSP 中断控制寄存器。
　　    bit  dsp_icr，11    ;测试MODE位,判断是否是HOLD 操作。
　　    bcnd  skip_int1，tc ;如果MODE=1,则退出中断服务子程序。
　　/以下几句完成DMA操作/
ready:
        lacl  imr           ;保护中断屏蔽寄存器。
        splk    #0001h，imr ;屏蔽除HOLD/INT1之外的所有可屏蔽中断。
        idle                ;进入HOLD操作。发出/HOLDA,外部总线被置为高阻状态,等待HOLD/INT1引脚上的上升沿。
        splk    #1，ifr     ;HOLD操作已完成(即完成一次DMA传送)。清HOLD/INT1中断标志防止再次进入HOLD方式。
        sacl      imr       ;恢复中断屏蔽寄存器内容。   
　　/针对全双工会话功能的必要处理/
int1_one_speech1:
        in     temp0，dma_state_res ;读8237与DMA状态寄存器判断是哪个通道的DMA,从而保证DMA采样与回放交替进行。
        bit    temp0，14
        bcnd      unmask3，tc
        bit    temp0，12
        bcnd  unmask1，tc
        b     skip_int1
unmask3:
        splk   #0007h，60h          ;屏蔽采样DMA。
        out    60h，000fh
        b      skip_int1
unmask1:
        splk   #000dh，60h          ;屏蔽回放 DMA 。
        out   60h，000fh
skip_int1:
        clrc    INTM
        ret
DMA控制方式在DSP中的成功运用解决了系统中存储器与外设之间数据传送的速度问题,大大减轻了CPU的负担,实现了DSP对声卡DMA方式的录音与回放、立体声及全双工操作,从而可以方便地实现全数字化语言学习系统的各项功能。