基于DMA的大批量数据快速传输模块设计

摘要 针对Altera公司SOPC解决方案中，DMA模块无法直接读／写FPGA外设的情况，提出了基于Avalon总线流传输模式的通用DMA读／写控制模块的设计，设计了两个自定义外设，实现了DMA对FPGA外设的高速数据存取和Nios II与FPGA大批量数据的快速传输。介绍了Avalon—MM总线规范，阐述了系统架构以及DMA读控制器的设计，测试结果表明，该方法是一种高效可行的解决方案。
关键词 SOPC；Nios II；DMA；Avalon总线

DMA控制器作为SOPC设计中使用频率较高的IP核，可用于存储器或外设间进行批量数据传输，以提高系统数据吞吐量。然而，由于DMA控制器只支持对基于Avalon总线流传输模式的外设进行数据传输操作，对用户自定义外设不予支持。文中提出了一种基于Avalon总线流传输模式的通用DMA接口控制器设计，实现了NiosⅡ与FPGA的大批量数据快速传输，显著提高了系统的数据吞吐量。

1 Avalon—MM总线规范
Avalon总线规范是为开发SOPC环境下外设而设计的，为SOPC设计者描述这些外设的端口提供了基础。Avalon总线有多种传输模式，其中，流传输模式为从端口提供了一种机制，用于控制来自主端口的传输，流传输模式的这些特点使其特别适合于DMA传输。
流模式从端口传输模式的信号，除了在从端口传输中使用的信号之外，又引入了3个信号：readyfordata、dataavailable和endofpack et。其中，从端口通过设置Readyfordata有效来表示它已经准备好接收来自Avalon总线模块的写传输；使readyfordata无效表示写操作将引起数据上溢；从端口通过设置dataavailable有效来表示它已经能够为来自Avalon总线模块的读传输提供数据，dataavailable无效时读操作将引起数据下溢；在任何传输期间，流模式从端口都可以设置endofpacket信号有效，并通过Avalon总线模式传输给主端口。对于endofpack et信号的解释取决于用户设计，必须明确外设如何响应endofpacket信号的变化。

2 系统结构
提出的NiosⅡ与外设进行大批量数据传输的结构如图1所示，当NiosⅡ需要从外设读入数据时，外设通过FIFO接口将数据写入DMA读控制模块，然后数据经DMA传输至NiosⅡ，反之，当NiosⅡ输出数据时，数据通过DMA传输至DMA写控制模块，FPGA逻辑通过FIFO接口从这个模块读取数据。DMA读／写控制模块的设计，是为了解决SOPC中DMA模块与FPGA片上FIFO不同接口间的数据传输问题，而在SOPC中，DMA模块使用的是支持流传输模式的Avalon—MM总线。DMA读／写控制模块主要完成两个功能：一是FIFO与DMA主端口之间的数据交互；二是作为一个NiosⅡ的外设，NiosⅡ处理器能够对此外设进行控制并能随时获取该外设的状态信息。

3 DMA读／写控制模块的设计
DMA读／写控制模块作为系统结构的核心，其结构框图如图2所示。此模块包括两个Avalon—MM从端口：一个作为DMA从端口，用于处理DMA对此模块的数据读操作；另一个Avalon—MM从端口是NiosⅡ的控制从端口，用于NiosⅡ处理器对这个模块进行控制并且随时获取此模块的状态信息。模块还包括一个中断请求信号(IRQ)，当外设有数据需要读取时，可以使这个信号有效，从而通知NiosⅡ发起DMA读传输。另外，DMA读控制模块中还例化了一片FPGA片上FIFO作为数据上传FIFO，用于系统待上传数据的暂存。使用FIFO可以提高数据传输的吞吐量，同时简化FPGA硬件逻辑的操作，图2中的管道(Conduit)端口就是FPGA硬件逻辑操作FIFO的接口。

对于与NiosⅡ处理器交互的Avalon—MM从端口，从NiosⅡ处理器的角度看，这个端口是一些寄存器的映射，即NiosⅡ对该模块的操作，是通过对模块内部的寄存器的操作完成的。根据功能需隶，DMA读控制模块中设计了3个寄存器，即状态寄存器status，控制字寄存器control和FIFO中已有数据个数寄存器usedw。
DMA读控制模块的中断请求应当在两种情况下产生：一是此模块的数据源端将FIFO写满且外设中断使能有效；二是此模块的数据源端置数据包结束标志且外设中断使能有效。
对于DMA从端口，使用的是带流控制信号的Avalon总线，DMA使用流控制信号中的dataavailable以及endofpacket两个总线信号。其中dataavailable表示外设是否准备好读操作，即FIFO是否非空；对于endofpacket信号，设计中使用这个信号来表示模块中数据包的结束，endofpacket信号与最后一个数据同时出现并持续1个时钟周期，DMA检测到endofpacket信号有效后将停止DMA传输。对于管道端口，这是最新的Avalon总线规范定义的接口形式，主要用于外设和外部逻辑进行交互。

DMA读控制模块作为一个用户自定义外设，在将其添加到SOPC