前言

在上一篇文章中，我們介紹了一些關於直接記憶體存取（DMA）的基礎，例如其必要性、架構以及如何控制等。在本文中，我們將會集中在DMA移轉的分類上，以及關於分類在設定上的概念。

設定DMA

DMA移轉設定有兩種主要的類型：暫存器模式（Register Mode）以及描述符模式（Descriptor Mode）。而不論是何種類型的DMA，(表一)中所描述的相同類型資訊，都會進入到DMA控制器中。當DMA以暫存器模式運作時，DMA控制器只會使用存在於暫存器中的數值。而當DMA以描述符模式運作時，DMA控制器則會在記憶體中搜尋其設定用數值。

以暫存器為基礎的DMA

在以暫存器為基礎的DMA中，處理器會對DMA控制暫存器直接進行編程，以便啟始移轉作業。以暫存器為基礎的DMA，具有最佳的DMA控制器性能，這是因為暫存器不需要從記憶體中的描述符持續地重新讀取資料，此外核心也不需要去對描述符進行維護。

以暫存器為基礎的DMA包含有兩個次模式（sub-mode）：自動緩衝模式（Auto-buffer Mode）以及停止模式（Stop Mode）。在自動緩衝DMA中，當一個移轉區塊完成時，控制暫存器就會自動的重新讀取其原始設定數值，然後相同的DMA程序就會重新開始，而不會有任何多餘的開支。

如(圖一)所示，假如我們設定了一組自動緩衝DMA，要將某些數量的字元，從周邊移轉至L1資料記憶體中的緩衝區內，DMA控制器會在前一個字元的移轉完成時，立即重新讀取初始參數。這將會形成循環緩衝（circular buffer），因為當數值被寫入緩衝區內的最後一個位置之後，下一組數值就會被寫入緩衝區內的第一個位置。

《圖一　以自動緩衝DMA來運行循環緩衝》

對於性能相當敏感，具有連續資料串流的應用來說，自動緩衝DMA特別適合。DMA控制器能夠獨立讀取串流資料，不會受到處理器動作的影響，並且當每個移轉完成之後，可對核心發出中斷要求。雖然想要很平順的將自動緩衝模式停止下來是可能的，但假如一組DMA程序必須要經常性的啟動與停止，那麼使用這種模式就不恰當。

以下我們來看一個自動緩衝的範例。

自動緩衝的範例：雙重緩衝

假設有個應用裝置，其處理器是以每次512筆音訊取樣的方式運作，而其編解碼器（音訊類比 / 數位轉換器）則是以音訊的時脈速率來傳送新的資料。在這樣的一個架構中，自動緩衝DMA可以算是最佳選擇，這是因為資料的移轉會在週期性的間隔內發生。

雙重緩衝

以此相同的模型來作為基礎，假設我們想要將所接收到的音訊資料進行雙重緩衝（double - buffer）處理。也就是說，我們希望當一組緩衝區正在運作時，DMA控制器可以將另一組緩衝區填滿。處理器必須在DMA控制器將特定資料緩衝區的啟始部分包圍起來之前，先在該緩衝區上將工作完成，如(圖二)中所示。使用自動緩衝模式的話，設定就會很簡單。

《圖二 　雙重緩衝》

緩衝組計算方式

自動緩衝DMA的總數量，必須要透過一組2D DMA，來將兩組資料緩衝區的大小包含在內。在這個範例中，每個資料緩衝區的大小與2D DMA中內部迴路的大小相當。緩衝區的數量則與外部迴路相當。因此，我們將維持 XCOUNT = 512。假設音訊資料元素的大小是4 位元組，我們將字元移轉大小編程為32位元，並且設定XMODIFY = 4。由於我們需要兩組緩衝區，因此我們設定YCOUNT = 2。假如我們希望這兩組緩衝區在記憶體中是back-to-back的話，那麼我們必須設定YMODIFY = 1。然而，將緩衝區個別分開，通常會是比較明智的作法。此種方式可以讓你避免掉當處理器與DMA控制器在對相同的記憶體副插槽（subbank）進行存取時，兩者之間所產生的衝突。要達成這樣的結果，可以將YMODIFY提高，以便在緩衝區之間提供適當的區隔。

在2D DMA移轉中，當XCOUNT抑或是YCOUNT到期時，我們還有產生中斷的選項可供選擇。將其轉移到這個範例中時，那就是我們可以設定每當XCOUNT降為0、亦即每組512移轉結束時，DMA中斷就會被觸發。若我們將其想像成當每個內部迴路終止時、所接收到的中斷，就能比較容易理解。

停止模式的運作方式

停止模式的運作方式與自動緩衝DMA大致相同，除了在DMA完成之後，暫存器不會重新讀取，因此整個DMA移轉只會運行一次而已。對於會針對某些特定事件而觸發一次性的移轉而言，舉例來說，以非週期性的方式將資料區塊從一個位置搬移至另一個位置，停止模式是最為有用的方法。當需要讓事件同步時，這個模式也相當的有用。舉例來說，假如有一項作業必須要在下一個移轉啟始之前完成，使用停止模式可以確保這個流程的正確性。此外，停止模式對於緩衝區的初始化也是相當有用。

描述符模式

以描述符為基礎的DMA移轉，需要一組儲存在記憶體中的參數，以便啟動DMA序列。描述符中所包含的，是所有通常會被編程並寫入DMA控制暫存器組的相同參數。然而，描述符也允許多重的DMA序列相互鏈結在一起。在以描述符為基礎的DMA運作下，我們可以將DMA通道予以編程，以便自動進行設定，並且在現有的序列完成之後啟動另一組DMA移轉作業。在對系統的DMA移轉做管理時，以描述符為基礎的模型能夠提供最大的彈性。

描述符模型：以ADI為例

在ADI的Blackfin處理器中有兩種主要的描述符模型 ，一種是「描述符陣列」，一種是「描述符清單」。具有這兩種模型的目的，是為了可以在彈性與性能之間取得平衡。

在描述符陣列模式中，描述符會常駐在連續記憶體之中。DMA控制器仍然會從記憶體內讀取描述符，但是因為下一個描述符，會緊接著現有的描述符，因此兩個用來記錄尋找下一個描述符、以及它們所對應的描述符讀取字元，也就不再重要。由於描述符並不包含此一「下一描述符指標」（Next Descriptor Pointer）資料，DMA控制器就會認為記憶體中的這些描述符群組，會如同陣列一般地一個接著一個排下去。

使用描述清單

當個別的描述符，在記憶體中不是以back-to back的方式配置時，就可以使用描述符清單的方法。事實上有許多種類的次模式可供使用，以便在性能與彈性之間取得平衡。在「小型描述符」（small descriptor）的模型中，描述符包含一組單一的16位元場域，該場域是用來作為「下一描述符指標」場域較低部分的設定所用；較高部分則會透過暫存器個別加以編程，並且不會改變。當然，這將會使描述符被限制在記憶體內的特定 64K ( =216 )分頁（page）內。當描述符的位置超出這個界限之外時，就要使用能夠提供32位元作為「下一描述指標」資料的「大型」模型。

描述符讀取

不論採用何種描述符模式，使用越多的描述符數值，都會需要越多的描述符讀取。這就是為何Blackfin處理器要指定一組「彈性描述符模型」（flex descriptor mode）。該模型可以適當調整描述符的長度，使其只包含只有針對特定移轉所需的資料，如(圖三)所示。舉例來說，假如 2D DMA沒有需要的話，YMODIFY以及YCOUNT暫存器就沒有必要成為描述符區塊中的一部份。

《圖三　描述符模型》

描述符的管理

要回答管理描述符清單的最佳方法，此一答案必須視應用領域而定，不過最重要的是要瞭解有什麼樣的選擇可用。

鏈結

首先我們將要討論的選項，其運作模式與自動緩衝DMA非常相似。在這個選項中，必須要對鏈結在一起的多重描述符進行設定，如(圖四a)中所示。

「鏈結」（chained）意指前一個描述符會指向下一個描述符，同時也會自動讀取。想要完成這個鏈結，最後的描述符指標，必須指回到第一個描述符，重複運作處理程式。使用這項技術而不利用自動緩衝模式的原因之一，就是在移轉的大小與方向上，使用描述符會具有較多的彈性。

致能

其次我們討論的選項，則是以處理器手動管理描述符清單。描述符實際上是屬於記憶體內的架構。每個描述符包含有一個設定字元，而每個設定字元則包含有一組「致能」（Enable）位元；當一組移轉啟動時，此位元可作為調整之用。現在我們假設有4組緩衝區、必須要在某些特定的作業區間內搬移資料，假如我們所需要的是，當處理器準備妥當時，就讓處理器分別啟動每個移轉作業，那麼我們可以預先設定好所有的描述符，不過其中的「致能」位元必須予以清除。當處理器判定啟動描述符的時間已到時，它將只會更新記憶體中的描述符，然後寫入DMA暫存器中，以便啟動各自分隔開的DMA通道。(圖四b)所示為這套流程的範例。

《圖四　藉由處理器來控制的DMA描述符》

串流同步化實例操作

這種類型的移轉何時才會派上用場？試想有個多媒體應用裝置需要將輸入串流與輸出串流同步化。舉例來說，即使工程師嘗試要將這些串流調整成相同的時脈速率，視訊取樣接收至記憶體的速率、與所播放的輸出視訊速率之間，可能是不相同的。在同步化是個問題的大前提下，處理器可以針對與輸出緩衝區相關連的DMA描述符，進行手動調節。在下一組描述符被「致能」之前，處理器可以透過確保一次只有一個實體（entity）在對共用資源做存取的信號機制（semaphore mechanism），來調整現有的輸出描述符，以便將串流同步化。

在處理器之間使用內部的DMA描述符鏈結、或是以DMA為基礎的串流時，如果在所傳送資料區塊的末尾加上一個額外的字元 ，其中包含如何處理資料、同時可能包含時間戳記（time stamp），也是相當有用，該字元對於判定封包是否已被傳送出去，則有所幫助。（圖4b）中以虛線所標示的區域，就是這種架構的範例。

軟體為核心的DMA功能

在最複雜的應用領域中，會具有以軟體做成的DMA管理員功能。這項功能可能會成為作業系統或即時核心的一部份，但是它也可以不需要依賴這些而自行運作。在Blackfin處理器中，這項功能是以VisualDSP++工具套件中系統服務的一部份為基礎。這項管理功能讓工程師能夠透過標準的應用程式介面（API）來搬移資料，而不需去對每個控制暫存器進行手動設定。

基本上，應用會提交DMA描述符的請求給DMA佇列管理員，而其職責就是處理每個請求。這些請求會依據被應用軟體所接收到的順序而加以處理。通常，一個指向「回覆」（call - back）功能的位址指標（address pointer），也會是系統的一部份。當一組資料緩衝區已經就緒時，這項功能會完成你希望處理器所要執行的作業，而無需讓核心滯留在高優先權的中斷服務常式內。總而言之，由於DMA管理員抽象化資料移轉過程，因而能簡化編程模型。

管理描述符佇列

想要使用中斷來管理描述符佇列，通常有兩種方法。第一種是以每組描述符完成時的中斷為基礎，只有當工程師可以確定每個中斷事件都能個別地被處理，不會有中斷溢出（overrun）時，才能使用這種方法。第二種方法所牽涉到的中斷，是只有當一組工作區塊（work block）的最後一個描述符所指定的移轉作業完成時，才會產生。一組工作區塊乃是一或數個描述符的集合。

想要保持描述符佇列的同步化，非中斷軟體必須要維持計數加入到佇列中的描述符，而中斷常式則會維持計數從佇列中移出之已完成的描述符。只有當DMA通道在已處理完所有的描述符之後而暫停下來時，其數量才會相等。

小結

在這篇文章中，我們主要討論是以暫存器和描述符為基礎的DMA資料流結構，以及何時該使用哪種類型。下一次我們將會討論一些能夠在多媒體系統中，提供協助並使得資料搬移更為有效率的先進DMA特點。（本文由ADI美商亞德諾提供）