PCIe的DMA介绍

在PCIE中有两种数据传输方式：

DMA(Direct Memory Access)，直接内存访问，在该模式下，数据传送不是由CPU负责处理，而是由一个特殊的处理器DMA控制器来完成，因此占用极少的CPU资源。

PIO(Programmed Input-Output)，可编程输入输出，在该模式下，数据传送由CPU执行I/O端口指令来按照字节或更大的数据单位来处理，占用大量的CPU资源，数据传输速度也大大低于DMA模式。举例老说，在DMA方式下，如果copy文件的同时在播放mp3音乐，则不受丝毫影响；如果在PIO模式下，则会发现音乐声时断时续，这是因为大部分CPU资源被文件传输占用。

所以，总的来说，使用DMA模式时，计算机的运行速度会比使用PIO模式快很多。

在xilinx中生成IP核后，工程文件夹下会有这两个文件夹：

[Xilinx_PCIe_BMD] xilinx FPGA 开发 pcie BMD DMA的verilog HDL源码[example_design] xilinx pcie总线 pio模式下的控制器代码。包含接收发送模块，存储模块，控制模块等。

1.DMA概念

DMA的英文拼写是“Direct Memory Access”，汉语的意思就是直接内存访问。

内存与内存（外设）交换数据不经过CPU。

使用DMA的好处就是它不需要CPU的干预而直接服务外设，这样CPU就可以去处理别的事务，从而提高系统的效率，对于慢速设备，如UART，其作用只是降低CPU的使用率，但对于高速设备，如硬盘，它不只是降低CPU的使用率，而且能大大提高硬件设备的吞吐量。因为对于这种设备，CPU直接供应数据的速度太低。因CPU只能一个总线周期最多存取一次总线，而且对于ARM，它不能把内存中A地址的值直接搬到B地址。它只能先把A地址的值搬到一个寄存器，然后再从这个寄存器搬到B地址。也就是说，对于ARM，要花费两个总线周期才能将A地址的值送到B地址。而DMA就不同了，一般系统中的DMA都有突发（Burst）传输的能力，在这种模式下，DMA能一次传输几个甚至几十个字节的数据，所以使用DMA能使设备的吞吐能力大为增强。

对于任何类型的DMA传输，我们都需要规定数据的起始源和目标地址。对于外设DMA的情况来说，外设的FIFO可以作为数据源或者目标端。当外设作为源端时，某个存储器的位置(内部或外部)则成为目标端地址。当外设作为目标端，存储的位置(内部或者外部)则成为源端地址

2.PCIe的DMA介绍

在PCIe中需要使用DMA的项目，一定要先看XAPP1052，里面包含一个DMA的参考设计，对初学者有极大的帮助。

XAPP1052中包含FPGA源代码和驱动程序源代码，其中FPGA源代码最主要的文件为：

1、《TX_ENGINE.v》：是产生TLP包的逻辑，包含读TLP请求用于DMA读；写TLP请求用于DMA写；CPLD用于BAR空间读。

2、《RX_ENGINE.v》：是解析TLP包的逻辑，包含读TLP解析用于BAR空间读、写TLP解析用于BAR空间写、CPLD解析用于DMA读。

DMA分为读和写种操作，两种操作在细节上不同。

这里先简单介绍一下DMA读过程：

1、驱动程序向操作系统申请一片物理连续的内存;

2、主机向该地址写入数据；

3、主机将这个内存的物理地址告诉FPGA；

4、FPGA向主机发起读TLP请求—连续发出多个读请求；

5、主机向FPGA返回CPLD包—连续返回多个CPLD；

6、FPGA取出CPLD包中的有效数据；

7、FPGA发送完数据后通过中断等形式通知主机DMA完成；

DMA写过程如下：

1、驱动程序向操作系统申请一片物理连续的内存；

2、主机将这个内存的物理地址告诉FPGA；

3、FPGA向主机发起写TLP请求，并将数据放入TLP包中—连续发出多个写请求；

4、FPGA发送完数据后通过中断等形式通知主机DMA完成；

5、主机从内存中获取数据；

如果是参考XAPP1052，一定要注意几点：

1.1连续内存

申请的内存一定要物理连续。DMA是直接对物理内存—也就是实际的内存条进行读写操作，必须为物理连续的内存；而应用程序和驱动程序一般只能申请到逻辑上连续的内存，在物理上不一定连续。XAPP1052中可以看到申请内存上的一些特殊处理，目的就是获取物理连续的内存，可获取4KB的物理连续内存。但是XAPP1052在内存处理上也存在一些问题，实验尚可，应用则不行。如何获取内存的物理地址在XAPP1052中已经有示范，可直接参考。

1.2将地址告诉FPGA

XAPP1052是在BAR空间开辟了一段专用地址存放DMA读地址、DMA写地址、DMA长度、TLP包大小等参数，可直接参考。

1.3写TLP请求

DMA写的操作相对简单，只需要FPGA单向发起写TLP操作即可完成，至于有没有真正写入内存一般不需要FPGA关心；而驱动程序需要等待一定时间让数据正真写入内存—中断处理的时间已经足够让数据写入内存，所以也不必特别关心。

发起写TLP请求可以连续发送，但是注意《TX_ENGINE.v》中要处理读TLP请求、写TLP请求和CPLD，所以有时会遇到三种请求竞争的情况。如果想要提高DMA的效率可以重新设定三种请求的优先级。

1.4读TLP请求

DMA读的操作相对复杂，需要FPGA向主机发出读请求，主机再返回数据。FPGA控制逻辑必须计算发起了多少个读TLP请求，再计算收到的数据是否足够。

一般来说FPGA可以一次发送所有的读请求，然后按照顺序接收数据即可。但是某些主板并不一定是按照请求的顺序返回数据的情况，可能后发出的请求先返回数据，属于主机乱序执行的现象。要么FPGA一次只发一个读请求，等数据收到了再发现一个读请求—但是效率就对不起了；要么对乱序情况进行特殊处理，XAPP1052还没有解决该问题。

1.5特殊参数

TLP包中有很多参数，例如：TC、ATTR等等，如果不了解的话，千万不要随意修改，与参考设计保持一致即可，否则很容易导致蓝屏。

1.6 DMA通道

XAPP1052中只实现了一个DMA读通道和一个DMA写通道。对于很多应用，例如两路视频采集，需要两路DMA写通道：要么把两路数据按照一定的格式整合为一个流；要么实现两路DMA写通道，XAPP1052不能直接实现。

1.7数据流量

XAPP1052整个方案的效率并不高，数据流量非常有限。数据量较少时倒是够用，数据量大了会发现CPU使用率非常高，占用一个CPU核心，但是还会丢数据。主要原因是XAPP1052一次DMA的总长度为4KB，每一次DMA完成必须以中断形式通知驱动程序，驱动程序再配置下一次DMA。从FPGA角度来说，已经做到“尽力”了，但是数据量一大CPU不停的进入中断，时间全部浪费在处理中断上了，而且CPU使用率非常高。　　

      审核编辑：彭静