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浅谈DSP中DMA操作的无阻塞请求实现
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2017-11-03
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DMA在DSP应用中至关重要，本文给出了DMA操作非阻塞的请求方法，针对TMS320C620x，实现了与CSL中DAT接口一致的驱动模块QDAT，并指出了EDMA相关的高级特征。
在DSP中，DMA控制器实际是一个外设，与其他集成的串口、主机接口、片外内存接口等都在系统外设总线上，也与其他外设一样有一组相关的控制/状态/数据寄存器，CPU可以访问。
非常重要的一点是，DMA通道能够用于内存之间的数据传送。这里内存都是统一编址的，包括：片上内存，程序和数据分立；接在EMIF上的片外内存，如SDRAM；外设的寄存器也都是内存映射的（memory-mapped），所以DMA通道也可以用于外设和内存之间，进行外设数据接收与发送。
在DSP的处理模型中，所有数据应位于片上供CPU处理，不鼓励CPU直接访问片外数据，因为CPU访问片外资源的时间较长，周期数也不确定，对于实时性和确定性不利。片上内存有时也能够配置成为缓存（cache），缓存控制器会根据一定策略、使用DMA方式切换片外的数据进出缓存，最终使得用户能够在片上访问数据，这个过程对用户是透明的。正因为缓存的机制是透明的，所以也是很难控制的。比如，一段调用频率很高的代码很可能被不常用的部分清出缓存，因为它们映射相同，但随后又很快被调入，这样会造成局部的效率降低。
所以，如果能够明确掌握程序流或数据流的运转特征，不使用缓存模式，用户通过DMA进行自定义的调度，可能提高效率。有的处理器不具备缓存控制器，不支持片上内存作为缓存，如C6205的片上数据内存就不能够配置为缓存，所以主动使用DMA移动数据不可避免。
DSP的DMA功能一般也都较为强大，TI C6000系列的DMA通道支持1D-1D、1D-2D、2D-1D以及常用的2D-2D数据传送，对DMA的合理使用可能替代相当的编程效果，如排序、采样或裁剪。
TI的CSL（Chip Support Library，芯片支持库）对于使用DMA给出了很好的支持，有专门的DMA模块，便于对DMA的各个寄存器进行控制。还有一个DAT模块，使用DMA进行内存数据传送，函数DAT_copy（）和DAT_fill（）就像常用的内存操作memcpy（）、memset（）一样，只需要在API接口指出源地址、目的地址和长度，或者其他的维数属性等即可，不需要再去管具体的寄存器，非常方便。
视频处理实例分析
DAT模块易用，但因为是在CSL中，所以只能将DMA控制器直接的功能表达出来。对于灰度图像处理（先不考虑将算法处理后的结果传回片外的情况），在下面的处理框架中，每次DMA执行操作时，CPU在前台还可以做算法处理任务。
。..
task=DAT_copy（。..）;//启动头一个DAT任务
。..
while（not_finished）{
DAT_wait（task）; //本次task完成
task=DAT_copy（。..）; //启动下一次的DMA
pingpong_alg_process（。..）; //对本次传送的数据处理
}
当视频为4:2：0 YUV图像（planar模式）序列，需要处理某一区域时，实际上是在相同时机处理Y、U、V三块数据，通常它们并不连续，也就是说，将会同时使用三个DMA操作。
这里可能可以同时启动多条DMA通道，但有一些限制：
1. 有的处理器支持同时启动的DMA通道数有限，有些DSP有4条通道，但寄存器集只能完整地支持两条；
2. 由于共享总线和某些接口，同时工作的DMA通道数过多将可能增加访问冲突，降低系统性能；
3. 有时多条通道又必须同时使用，比如系统视频、音频采集进入的数据必须占用独立的通道。
所以，上面的任务能够尽量使用一个DMA通道完成，不失一般性，DAT模块的所有操作实际上是在一条打开的通道上完成的。
那么，对于YUV图像，处理程序框架类似上面，可能如下，
。..
taskY = DAT_copy（。..）;
taskU = DAT_copy（。..）;
taskV = DAT_copy（。..）;
。..
while（not_finished）{
DAT_wait（taskY）;
DAT_wait（taskU）;
DAT_wait（taskV）;
taskY = DAT_copy（。..）;
taskU = DAT_copy（。..）;
taskV = DAT_copy（。..）;
YUV_pingpong_process（。..）;
这时问题出现了：C620x的DMA通道一次只能接受一个传送请求，也就是说，每次请求必须等到该通道空闲时才可能真正提交上去，这样taskY和taskU在后台操作时，前台无法进行taskU和taskV的启动，即实际上前台没有什么处理任务可做，浪费了效率。而这三个dat任务绑定在一起，启动时机很难拆开。显然，如果能够允许DMA请求连续地提交，将提高效率。
DMA通道请求非阻塞提交的方法
把DMA通道看作一个单处理单元，每个DMA操作作为一个任务，这就形成了一个单处理多任务的模型，任务调度就是FIFO。不妨定义：
1. DMA通道请求上下文是一个数据结构，它包含启动一次DMA传送所需要设定的寄存器参数集合，如源、目的、长度、index寄存器（维数）等等；
2. DMA通道请求上下文队列，一个DMA请求上下文的队列用以缓存DMA请求；
DMA通道的使用和请求非阻塞的提交应有以下两条原则：
a. 应用程序的使用DMA通道的方法：
提交DMA通道请求（无阻塞），获得此次任务的id；在需要使用某任务的目标内存时，应检查该id任务状态直到完成；如果完成，即可进行相应的处理。
b. 无阻塞提交DMA通道请求的实现：标志此次DMA传送任务正在进行；如果DMA通道空闲，设置寄存器启动DMA操作，标志DMA通道正在工作；如果DMA通道正在工作，则将此次DMA请求插入上下文队列。
3. DMA中断服务程序（注：DAT模块不使用ISR，只是查询对应标志，确定DMA传送是否完成）：标志此次DMA传送任务完成；如果DMA请求上下文队列为空，标志DMA通道空闲；如果DMA请求上下文队列非空，则从队列中取出头一个DMA请求上下文，用以设置相应的寄存器启动DMA操作。
在DSP中，DMA控制器实际是一个外设，与其他集成的串口、主机接口、片外内存接口等都在系统外设总线上，也与其他外设一样有一组相关的控制/状态/数据寄存器，CPU可以访问。
非常重要的一点是，DMA通道能够用于内存之间的数据传送。这里内存都是统一编址的，包括：片上内存，程序和数据分立；接在EMIF上的片外内存，如SDRAM；外设的寄存器也都是内存映射的（memory-mapped），所以DMA通道也可以用于外设和内存之间，进行外设数据接收与发送。
在DSP的处理模型中，所有数据应位于片上供CPU处理，不鼓励CPU直接访问片外数据，因为CPU访问片外资源的时间较长，周期数也不确定，对于实时性和确定性不利。片上内存有时也能够配置成为缓存（cache），缓存控制器会根据一定策略、使用DMA方式切换片外的数据进出缓存，最终使得用户能够在片上访问数据，这个过程对用户是透明的。正因为缓存的机制是透明的，所以也是很难控制的。比如，一段调用频率很高的代码很可能被不常用的部分清出缓存，因为它们映射相同，但随后又很快被调入，这样会造成局部的效率降低。
所以，如果能够明确掌握程序流或数据流的运转特征，不使用缓存模式，用户通过DMA进行自定义的调度，可能提高效率。有的处理器不具备缓存控制器，不支持片上内存作为缓存，如C6205的片上数据内存就不能够配置为缓存，所以主动使用DMA移动数据不可避免。
DSP的DMA功能一般也都较为强大，TI C6000系列的DMA通道支持1D-1D、1D-2D、2D-1D以及常用的2D-2D数据传送，对DMA的合理使用可能替代相当的编程效果，如排序、采样或裁剪。
TI的CSL（Chip Support Library，芯片支持库）对于使用DMA给出了很好的支持，有专门的DMA模块，便于对DMA的各个寄存器进行控制。还有一个DAT模块，使用DMA进行内存数据传送，函数DAT_copy（）和DAT_fill（）就像常用的内存操作memcpy（）、memset（）一样，只需要在API接口指出源地址、目的地址和长度，或者其他的维数属性等即可，不需要再去管具体的寄存器，非常方便。
视频处理实例分析
DAT模块易用，但因为是在CSL中，所以只能将DMA控制器直接的功能表达出来。对于灰度图像处理（先不考虑将算法处理后的结果传回片外的情况），在下面的处理框架中，每次DMA执行操作时，CPU在前台还可以做算法处理任务。
。..
task=DAT_copy（。..）;//启动头一个DAT任务
。..
while（not_finished）{
DAT_wait（task）; //本次task完成
task=DAT_copy（。..）; //启动下一次的DMA
pingpong_alg_process（。..）; //对本次传送的数据处理
}
当视频为4:2：0 YUV图像（planar模式）序列，需要处理某一区域时，实际上是在相同时机处理Y、U、V三块数据，通常它们并不连续，也就是说，将会同时使用三个DMA操作。
这里可能可以同时启动多条DMA通道，但有一些限制：
1. 有的处理器支持同时启动的DMA通道数有限，有些DSP有4条通道，但寄存器集只能完整地支持两条；
2. 由于共享总线和某些接口，同时工作的DMA通道数过多将可能增加访问冲突，降低系统性能；
3. 有时多条通道又必须同时使用，比如系统视频、音频采集进入的数据必须占用独立的通道。
所以，上面的任务能够尽量使用一个DMA通道完成，不失一般性，DAT模块的所有操作实际上是在一条打开的通道上完成的。
那么，对于YUV图像，处理程序框架类似上面，可能如下，
。..
taskY = DAT_copy（。..）;
taskU = DAT_copy（。..）;
taskV = DAT_copy（。..）;
。..
while（not_finished）{
DAT_wait（taskY）;
DAT_wait（taskU）;
DAT_wait（taskV）;
taskY = DAT_copy（。..）;
taskU = DAT_copy（。..）;
taskV = DAT_copy（。..）;
YUV_pingpong_process（。..）;
这时问题出现了：C620x的DMA通道一次只能接受一个传送请求，也就是说，每次请求必须等到该通道空闲时才可能真正提交上去，这样taskY和taskU在后台操作时，前台无法进行taskU和taskV的启动，即实际上前台没有什么处理任务可做，浪费了效率。而这三个dat任务绑定在一起，启动时机很难拆开。显然，如果能够允许DMA请求连续地提交，将提高效率。
DMA通道请求非阻塞提交的方法
把DMA通道看作一个单处理单元，每个DMA操作作为一个任务，这就形成了一个单处理多任务的模型，任务调度就是FIFO。不妨定义：
1. DMA通道请求上下文是一个数据结构，它包含启动一次DMA传送所需要设定的寄存器参数集合，如源、目的、长度、index寄存器（维数）等等；
2. DMA通道请求上下文队列，一个DMA请求上下文的队列用以缓存DMA请求；
DMA通道的使用和请求非阻塞的提交应有以下两条原则：
a. 应用程序的使用DMA通道的方法：
提交DMA通道请求（无阻塞），获得此次任务的id；在需要使用某任务的目标内存时，应检查该id任务状态直到完成；如果完成，即可进行相应的处理。
b. 无阻塞提交DMA通道请求的实现：标志此次DMA传送任务正在进行；如果DMA通道空闲，设置寄存器启动DMA操作，标志DMA通道正在工作；如果DMA通道正在工作，则将此次DMA请求插入上下文队列。
3. DMA中断服务程序（注：DAT模块不使用ISR，只是查询对应标志，确定DMA传送是否完成）：标志此次DMA传送任务完成；如果DMA请求上下文队列为空，标志DMA通道空闲；如果DMA请求上下文队列非空，则从队列中取出头一个DMA请求上下文，用以设置相应的寄存器启动DMA操作。
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