基于MPC8260和FPGA的DMA接口设计

摘要 以MPC8260通信处理器为硬件平台，结合中断处理和IDMA传输机制设计一种最高传输速率可达500 Mbps的数据传输接口。本文详细介绍了接口的硬件电路和软件流程，以及MPC8260的DMA控制器、DMA通道初始化和中断处理过程。
关键词 MPC8260 FPGA DMA
引言
　　在基于软件无线电的某无线通信信号侦收平台的设计中，天线接收到的信号经过变频器处理和A/D变换之后，经过高速通道把采集的信号送入主控板进行数据分发处理。系统的结构框图如图1所示。

图1 主控板的系统结构框图
　　主控板的硬件核心是嵌入式微处理器MPC8260，负责系统软件的加载、数据的分发以及与外界命令控制的交互。软件上，采用高性能的VxWorks嵌入式实时操作系统。从天线接收到的射频信号经过变频和A/D变换之后作为数据源连接到FPGA，FPGA对接收到的数据进行中频变换和信道估计等预处理后，在CPU的控制下将数据传输到本地内存，最后CPU对数据打包后进行快速分发。因此，将40～50 Mbps的高速数据流从FPGA传给CPU成为系统设计的一个关键。
　　如果每传递一个字节的数据都需要CPU的介入，那么不论是采用中断驱动还是采用程序查询的方式，数据传输速率都会很低，无法满足系统需求。DMA（直接存储器存取）和一般的程序控制传送方式相比具有数据传送速度高、I/O响应时间短和CPU额外开销小的优点，因此，选择DMA的传输模式，使FPGA中的数据不经过CPU内部寄存器的中转而直接存放到本地内存。MPC8260支持多种DMA实现方式，分别适用于不同数据传输源/目的设备、不同传输数据块大小和存储模式的需要，因此需要根据主控板的系统特点设计出合适的DMA传输接口。
1 MPC8260的 DMA系统结构

图2 CPM原理框图
　　MPC8260是Freescale公司主要针对数据通信领域而设计的一种嵌入式PowerPC微处理器，具有双核结构：1个高性能的MPC603e 64位RISC微处理器内核和1个专为通信设计的32位RISC通信处理模块(Communication Processor Module，CPM)。CPM能够分担PowerPC内核大部分的外围通信任务，其中就包含两个DMA控制器，即串行直接存储器存取通道(Serial Direct Memory Access，SDMA)，所以这种双处理器的体系结构比单处理器具有更强的通信控制功能。CPM的原理框图如图2所示。除了PowerPC内核和CPM之外，MPC8260还包含一个灵活的系统接口单元(System Interface Unit，SIU)主要用于控制与外部总线的接口。
　　图2中， CPM内除了SDMA模块以外，还包括通信控制器(Communications Processor，CP)、双口RAM和一些串行外围设备的控制接口等。SDMA和60x总线、本地总线相连，并且可以直接访问CPM内部的双口RAM。CP利用这两个SDMA为每个外围串行控制器提供了两个虚拟SDMA通道：一个用于输入，一个用于输出。同时，CPM还用这2个物理的SDMA通道模拟4个可编程控制的、独立的DMA (Independent DMA，IDMA)通道，用于存储器-存储器及外设-存储器之间的数据传输。
　　主控板上的FPGA和SDRAM都是挂接在MPC8260的60x总线上的，所以只能利用IDMA来实现二者之间的DMA传输。根据传输启动的触发方式不同，IDMA可分为握手信号控制的IDMA传输和CP命令控制的IDMA传输两种。下面分别介绍两种方式的特点。
1.1 握手信号控制的IDMA传输
　　握手信号控制的IDMA传输主要用于外设和内存之间的数据传输。每个IDMA通道都有3个握手信号用于传输握手控制：DMA请求信号DREQ[1~4]、DMA应答信号DACK[1~4]和DMA结束信号DONE[1~4]。
　　在这种方式下，PowerPC内核只需要参与IDMA通道初始化，之后的传输过程全部由CP按照通道参数设置和握手信号控制数据的收发，在最大程度上释放内核。握手信号控制的缺点在于：① SDRAM中的数据和MPC8260的数据同步比较复杂。② 每次发出请求信号后都要进行总线仲裁，并且在得到总线使用权之后一次只能够传输外设端口大小或者32位的数据，总线利用率低。③ 握手控制逻辑和时序比较复杂，加重了FPGA内部控制逻辑设计的负担。
　　虽然这种传输方式基本上不占用内核资源，但是由于总线带宽有限且利用率较低，所以在连续高速的通信条件下会造成内核长时间得不到总线使用权而一直处于等待状态。因此，握手信号控制的IDMA一般只适用于由外设发起的、数据不是太频繁的传输使用。
1.2 CP命令控制的IDMA传输
　　MPC8260的IDMA还可以通过向CP命令寄存器中写入START_IDMA命令进行内部触发。每次启动传输以后PowerPC内核就被释放，传输的源地址、目的地址和传输数据长度等参数由CP按照在IDMA通道初始化的信息控制执行。每次传输的最大长度为4 GB。
　　相比握手信号控制的IDMA传输，在这种方式下，PowerPC内核除了需要初始化IDMA通道以外还要以命令的形式启动每一次的传输，所以要占用多一些的内核资源。不过，在一次传输启动之后最多可以传输4 GB的数据，所以只要每次传输的数据长度比较长，内核写一个寄存器的额外开销就完全可以忽略不计。同时，由于内部命令触发方式不需要握手信号，不需要频繁地每几个字节就竞争一次总线控制权，所以这种方式的传输效率更高、传输速度更快。内部命令触发方式是以空间换时间--用前端大的缓冲区来换取传输速度的提升。
　　考虑到主控板上软硬件系统的瓶颈都在于总线带宽，而存储资源相对比较丰富，所以选择CP命令控制的IDMA传输作为数据流从FPGA到SDRAM的传输方式。
2 DMA传输方案设计
　　FPGA和MPC8260间的数据传输接口设计如图3所示。图中左侧FPGA，通过16位数据线、10位地址线、2根中断请求线和一些读写控制信号线连接到右侧的MPC8260。MPC8260通过64位数据线与本地内存SDRAM相连。

图3 IDMA传输设计框图
　　FPGA内部分配有两个大的存储空间，用于轮流缓冲从数据源接收到的数据。任何一个缓冲区收满后，继续接收的数据保存到下一个缓冲区，同时以中断的方式触发MPC8260启动相应的IDMA通道把数据传到SDRAM中。IDMA控制、数据同步和错误处理都由MPC8260完成，FPGA只负责收发数据和触发中断。下面分别介绍二者的程序设计。
2.1 MPC8260程序设计
　　MPC8260内部的程序处理流程如图4所示。MPC8260预先初始化两个IDMA通道：通道的源地址和传输数据长度等信息与FPGA中的缓冲区一一对应。当收到FPGA的中断信号之后，如果此时对应的IDMA通道空闲，则在中断处理程序中发出CP命令开始接收数据，同时将对应的IDMA通道置忙状态；否则，在FPGA中可能发生了未读取的数据被覆盖的情况，MPC8260进入错误处理程序。在数据传输结束时由DMA控制器发送CPM内部中断到内核，在中断处理程序中一方面要恢复IDMA通道的参数设置，另一方面要把该IDMA通道置闲状态等待下一次传输的开始。
　　MPC8260程序的核心部分是IDMA通道设置和中断处理。

图4 MPC8260传输处理流程
2.1.1 IDMA通道设置
　　与一般的DMA通道设置一样，IDMA通道设置的主要参数包括：源地址、目的地址和传输数据长度。除此之外，MPC8260的 IDMA通道设置还包括通道模式、缓冲区和中断配置等，所涉及的寄存器比较多，配置比较复杂。IDMA通道设置的逻辑结构如图5所示。

图5 IDMA通道设置的逻辑结构框图
　　BD(Buffer Descriptors)表是用于指定传输方式、源/目的地址和数据长度等基本信息的数据结构。BD表的基地址由参数RAM中IBASE寄存器的值指定。除IDMA BD表的基地址之外，IDMA参数RAM内还存放有IDMA BD指针、IDMA传输缓冲区的起始地址、IDMA传输缓冲区大小和DMA通道模式等IDMA通道信息。IDMA参数RAM的基地址由参数RAM中IDMAx_BASE寄存器的值指定。IDMAx_BASE寄存器的地址是固定的，如IDMA1_BASE在偏移RAM基地址0x87FE的位置。CP就是通过IDMAx_BASE寄存器找到IDMA参数RAM，再通过IBASE找到BD表的顺序初始化IDMA通道的。具体的寄存器配置可以参考文献[1]第19章的IDMA编程示例。
　　为了提高通道的传输速率，系统中IDMA通道初始化应该注意以下几点：
　　① 需要在SIU中为FPGA配置UPM模式控制MPC8260和FPGA之间的突发读写。不要使用通用目的片选机(GeneralPurpose Chipselect Machine,GPCM)模式。因为MPC8260内存控制的GPCM模式不支持突发传输，IDMA工作在GPCM模式下一方不论传输数据的长度是否满足突发的要求，都只能以普通的单次读写进行。
　　② 把FPGA当作存储器操作，IDMA工作在内存到内存的双地址模式下,缓冲区设为最大的2 KB。
　　③ BD表的配置应该与FPGA中的缓冲区一一对应。BD表结构中的CM(Continuous Mode)位应该设置为缓冲链模式，在每一个BD表传输完之后，清BD表的有效位；同时，CP根据下一个BD表的值自动装载IDMA寄存器进行后面的传输。
　　IDMA通道初始化以后等待CP发出START_IDMA命令开始传输。在最后一个BD表传输结束时触发中断信号通知PowerPC内核本次传输过程的完成。传输过程中会发生改变的通道设置寄存器包括IDMA BD表指针、源地址、目的地址和BD表有效位等，所以在BD表传输结束的中断处理程序中需要恢复这些寄存器为下一次传输作准备。
2.1.2 中断处理
　　系统设计中使用了两类中断方式: IRQ引脚引入的外部中断和CPM触发的内部中断。初始化过程包括：使能对应的中断屏蔽位、选择中断优先级、连接对应中断向量号和中断服务程序等。为了保证较好的传输实时性，需要把中断优先级尽量设得高一些。
　　与一般中断处理过程的区别在于：MPC8260中断处理控制器采用分级结构来扩展中断信号总数。CPM内的中断就是二级中断，需要通过CPM中断控制器和SIU中断控制器两级中断控制。本设计中用来通知内核本次传输过程结束的中断是CPM内最后一个BD表传送结束的信号BC(BD Completed)。BC信号和命令结束等几个信号一起通过SIU中断挂起寄存器中的IDMA位向内核发出中断信号。所以在中断初始化时要同时有效IDMA屏蔽寄存器和SIU中断屏蔽寄存器对应的比特位。具体的中断初始化实例如下：
void IDMAint(void) {
　　*(long*)(IDMR1)=0x0F000000;/*使能IDMA1所有的二级中断*/
　　*(long*)(IDMR2)=0x0F000000;/*使能IDMA2所有的二级中断*/
　　*(long*)(SIMR_L)|=0x00000600;/*使能IDMA1和IDMA2在SIU中的中断*/
　　*(long*)(SIMR_H)|=0x00006000;/*使能外部中断IRQ1和IRQ2*/
　　*(long*)(SIEXR)|=0x00006000; /*设置IRQ1和IRQ2为下降沿触发*/
　　*(long*)(SIUMCR)=0x81210000;/*配置SIU模式配置寄存器*/
　　/*连接中断服务程序和中断向量号*/
　　if((intConnect(INUM_TO_IVEC(INUM_IRQ1),(VOIDFUNCPTR)IRQ1Handler,0))==ERROR)
　　　　logMsg("intConnectIRQ1failedn",0,0,0,0,0,0);
　　if((intConnect(INUM_TO_IVEC(INUM_IRQ2),(VOIDFUNCPTR)IRQ2Handler,0))==ERROR)
　　　　logMsg("intConnectIRQ2failedn",0,0,0,0,0,0);
　　if((intConnect(INUM_TO_IVEC(INUM_IDMA1),(VOIDFUNCPTR)IDMA11Handler,0))==ERROR)
　　　　logMsg("intConnectIDMA1failedn",0,0,0,0,0,0);
　　if((intConnect(INUM_TO_IVEC(INUM_IDMA2),(VOIDFUNCPTR)IDMA2Handler,0))==ERROR)
　　　　logMsg("intConnectIDMA2failedn",0,0,0,0,0,0);
　　}
　　尤其要注意的是，中断处理程序结束之前的清SIU中断挂起寄存器，不能直接在SIU中断挂起寄存器的IDMA位写1，而是要通过在IDMA事件寄存器的BC位写1来间接地清SIU中断挂起寄存器。
2.2 FPGA部分程序
　　系统中的FPGA芯片选用Xilinx公司的VirtexII 3000。利用VirtexII内嵌的大容量BlockRAM配置为单口RAM来做缓冲区，在程序中可以用Xilinx的集成开发环境ISE 7.1i内部自带的IP核生成。对FPGA来说，由于数据的输入/输出都是顺序的，所以两端都只要1根地址线用于区分相邻的两个数据就可以了。地址线配合内部计数器构成读写指针，当写指针从缓冲区的一半跳到另外一半时发相应的中断信号。
　　FPGA设计的关键部分是和MPC8260的总线接口设计。通过适当选择缓冲区的起始地址和长度，可以使MPC8260读FPGA都以突发的方式进行。设计中，MPC8260对FPGA的突发读写遵循自己配置的UPM模式，所以要综合考虑UPM模式设计和FPGA读写逻辑设计。在设计UPM模式时，可以在每次MPC8260锁定数据总线数据之前由通用功能信号线(General Purpose Line，GPL)产生一个下降沿通知FPGA往数据总线上写新数据；或者通过GPL把总线时钟送到FPGA达到收发同步来完成MPC8260与FPGA之间的读写。
3 总结
　　结合MPC8260的中断处理和IDMA传输机制，设计了一种MPC8260和FPGA之间的高速数据传输接口。测试结果显示：采用循环读的方式把FPGA中的数据复制到SDRAM中，数据传输速率只有11 Mbps左右；而采用本文介绍的IDMA方式，最高速率能够达到500 Mbps，并且内核占用率较低，实验结果完全能够满足系统设计需求。本研究对于PowerPC系列CPU的接口设计有一定的参考价值。
参考文献
[1] Freescale. MPC8260 PowerQUICCTM II Family Reference Manual .MPC8260RM Rev.2, 2005-12.
[2] Freescale. MPC8260 PowerQUICCTM II IDMA Functionality.Rev. 3,2006-02.
[3] Freescale. MPC8260 IDMA Timing Diagrams. Rev. 4,2006-07.
黄圣春（硕士研究生）、赵海涛（博士研究生）、魏急波（博导）、习勇（博士、讲师），主要研究方向为嵌入式系统、无线通信网络。