DM642中EDMA结构及优化

DMA(Direct Memory Access)是DSP中至关重要的一个部分，DMA可以在不需要CPU的干预的情况下，在后台执行数据的高速传输，系统效率的高低很大程度上取决与DMA的使用好坏与否。DM642是目前公司内使用最多的DSP，其运行效率的高低决定着大部分产品的性能。下面就DM642上的DMA性能做一个简单的介绍和分析。 DM642中的DMA称为EDMA（Enhanced Direct Memory Access）,其EDMA控制器支持64个相互独立的DMA通道，每个通道都可以接受系统外设事件的触发或者CPU的指令的触发，不同DMA传输之间还可以进行连接，构成各种复杂的DMA操作，在600MHz主频时可以提供2.4GB/秒的数据吞吐量。具备的1维、2维传输模式，非常适合图像的处理。系统结构如图所示： 对于EDMA的结构，可以参考相关的数据手册，这里不做详细的说明，主要侧重DMA效率的优化。 要想用好EDMA，需要很好的理解EDMA的传输过程。EDMA内部划分为4个优先级，分别是Q0（Urgent）、Q1（High）、Q2（Medium）和Q3（Low），顾名思义，从0－3由高至低，4个优先级分别对应4个队列，每个队列可容纳16个传输请求，每个队列都可以被CPU和外设使用，且每个部分占用的队列单元个数可以手动设置。每个队列都是FIFO结构，先提交的传输先执行传输操作，队列后面的操作必须等待前面的操作完成后才能够被执行，但是各个队列之间的传输可以按照优先级并行操作，当某个操作处于阻塞、等待状态时，其它队列中的任务可以得到执行。 从这个基本操作模式可以看出合理的对EDMA资源进行分配很重要，目前DM642系统中的处理如下： 1、 高优先级的队列中执行传输数据少但时间要求最紧迫的任务，比如CACHE操作和CPU访问操作，因为这类操作如果得不到快速的响应，会造成CPU的阻塞，严重影响CPU的性能。 2、 低优先级队列中执行紧迫性不高且数据量大的传输。比如编解码的传输，预览、缩放的传输。因为数据量的传输会很长时间的占用DMA操作和外部总线操作，如果将其放在高优先级队列中，会使那些数据量本来很少的操作因为优先级低而长时间得不到响应，造成浪费。 3、 系统图像输入、图像处理和编解码同样都要求大量的数据传输，对于这些传输的安排，把编解码的优先级放为最低。因为大多数用户追求预览的实时和流畅，而编解码的操作对用户来说不直接可见，我们只要求实时即可，同时图像的输入和处理是编解码的前提，这两部分的操作如果无法按时完成，编解码器的优先级再高也没有意义，同样无法保证实时。 4、 除了软件直接发起的DMA操作之外，还要统计哪些外设需要用到DMA操作。在现有的系统中，这些外设主要包括：McASP，音频输入、输出；VideoPort，视频输入、输出；PCI，和主机的数据交换。这些外设的数据量同样非常大，不可以忽略。 5、 优先级确定之后，还要考虑合理的在各个优先级队列中分配操作，除了最高级别的队列要绝对保证之外，对于其它3个队列，尽量做到均衡的分配任务，避免过多的传输集中在某一个队列之中。 关于DMA传输的发起，有三种模式： 1、 外设通过事件发起。在音视频的输入和输出中，通过软件配置外设和EDMA，之后通过DSP内部的EDMA事件，将外设和EDMA关联起来，外设启动后，通过事件自动触发DMA传输，无需软件干预，在某帧视频或音频传输完成后，通过中断通知。 2、 手动触发模式，在现有系统中，利用CSL库，将常用的EDMA操作做了封装，比如1D->1D,1D->2D,2D->1d,2D->2d的传输，在向DMA提交传输请求之后，等待信号量，发起传输的任务进入挂起状态，等操作完成之后，在DMA中断中，释放信号量，唤醒等待的任务。 3、 QDMA模式。TI提供的系统库中把QDMA封装到了DAT模块中，可以直接使用。QDMA并不是独立的DMA，其数据传输仍然是基于EDMA，只是QDMA操作的效率较普通EDMA高。 模式2和3是软件中主要使用DMA的方式，按照不同的机制，使用的时候需要注意： 在手动触发模式下，依靠任务调度来完成等待传输的过程，每次DMA操作都包含任务的切换，中断的处理，适合做较多数据的传输，同时软件的操作较简单，由操作系统负责调度，不会浪费CPU时间来等待传输的完成。但不适合做数据量小且非常频繁的操作，因为数据量很少时，DMA传输很快，相比之下，任务切换、中断处理的操作就显得有些得不偿失了，在过于频繁的使用时，会对系统效率造成影响。 而QDMA的传输发起和传输等待过程独立执行，其等待完成过程无需任务调度，不需要中断处理，只是简单的采用CPU轮询的方式实现，在数据没有完成的情况下，等待DMA传输完成会极大的浪费CPU资源。因此QDMA的使用适合于对数据的处理时间大于DMA传输时间的场合，QDMA还有一个优势：通过优化DMA队列长度，可以按照流水的方式提交多个请求，在进行数据运算和处理时，可以使用QDMA在后台执行一些复杂的操作。 其它的一些注意事项： 1、 注意数据对齐，包括每次传输数据的长度是否对齐和数据的起始地址是否对齐，按照4对齐和8对齐的传输效率最高，当数据非对齐时，DMA的效率会成倍的下降。 2、 和Cache相关的一些操作，由于EDMA在对L2操作时，可以自动执行CACHE操作，当从L2到外部SDRAM传输时，EDMA会自动将L1内的数据写回到L2；相反，当从外部SDRAM到L2传输时，EDMA也会自动将L1内部的相关部分清除。利用这个特点，有些场合用EDMA比直接操作数据更方便，因为不必操心cache一致的问题。 3、 不是所有的操作都要依赖DMA，比如在DMA已经十分繁忙的情况下，如果传输的数据很少，也可以直接用CPU来访问，或者将两者配合使用来达到最好的效果。

Ti 64xDSP的EDMA基本概念

1． 基本概念 l 元素传输（Element transfer）:在1D传输中，从源到目的的单个数据元素的传输，每个同步事件触发一个元素的传输。 l 帧（Frame）：在1D传输中，一组元素组成一帧，元素可以连续也可以有间隔（通过元素索引），一个同步事件可以触发一帧的传输。 l 数组（Array）：在2D传输中，一组连续的元素组成一个数组。一个事件可以触发一个数组的传输。 l 块（Block）：一组数组或帧构成一个数据块，对于1D传输，块由帧构成，对于2D传输，块由数组构成。 l 一维传输（1D transfer）：帧组成的1D数据块的传输，FRMCNT指明帧数，ELECNT指明组成帧的元素个数。 l 二维传输（2D transfer）：帧组成的2D数据块的传输，FRMCNT指明数组个数，ELECNT指明组成数组的元素个数。 2． 传输方式： l 基于元素（Element）同步的1D1D传输：FS = 0，一个事件触发一个Element的传输。整个块完毕（FRMCNT = 0且ELECNT = 1）产生传输完毕中断。除最后一次传输结束外其它每次事件触发传输一次时产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于帧（Frame）同步的1D1D传输：FS = 1，一个事件触发一个Frame的传输。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。除最后一次传输结束外其它每次事件触发传输一次时产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于数组（Array）同步的2D2D传输：FS = 0，一个事件触发一个Array的传输。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。除最后一次传输结束外其它每次事件触发传输一次时产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于块（Block）同步的2D2D传输：FS = 1，一个事件触发整个Blcok的传输。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。不产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于数组（Array）同步的1D2D传输：FS = 0，一个事件触发一个Array的传输。注意在这个方式，一维源的帧（Frame）必须是连续的。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。除最后一次传输结束外其它每次事件触发传输一次时产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于块（Block）同步的1D2D传输：FS = 1，一个事件触发整个Block的传输。注意在这个方式，一维源的帧（Frame）必须是连续的，不能有间隔。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。不产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于数组（Array）同步的2D1D传输：FS = 0，一个事件触发一个Array的传输。注意在这个方式，一维目的的帧（Frame）必须是连续的。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。除最后一次传输结束外其它每次事件触发传输一次时产生Alternate Transfer Complete中断。 l 基于块（BLCOK）同步的2D1D传输：FS = 1，一个事件触发整个Block的传输。注意在这个方式，一维目的的帧（Frame）必须是连续的。整个块完毕（FRMCNT = 0）产生传输完毕中断。不产生Alternate Transfer Complete中断。 3． EDMA的传输效率： 对于一个给定的传输任务，按2所说，可能有多种传输方式可以实现要求传输任务，但是效率（传输速度）可能大大不一样，总线利用率相差非常巨大，这一点必须注意，比如下表： 表一：元素的尺寸与总线带宽利用率的关系 元素宽度 传输的数据长度（字节） 读操作 写操作 传输带宽（Mb/sec） 利用率 传输带宽（Mb/sec） 利用率 32-bit 4 400 50% 400 50% 32-bit 16 800 100% 800 100% 32-bit 128 800 100% 800 100% 16-bit 4 143.9 18.0% 200 25.0% 16-bit 16 85.1 10.6% 105.3 13.2% 16-bit 128 74.0 9.3% 100.6 12.6% 8-bit 4 50.0 7.0% 55.6 7.0% 8-bit 16 42.1 5.3% 51.9 6.5% 8-bit 128 38.4 4.8% 50.2 6.3% 可见字节传输效率最低 表二：EDMA地址更新模式（增量、减量、索引、固定）与总线带宽利用率的关系（以L2到EMIF为例） SUM DUM 传输周期（CPU周期） 传输带宽（Mb/sec） 利用率（%） L2: Any EMIF: Increment 96 800 100 L2: Any EMIF: Fixed 96 800 100 L2: Any EMIF: Decrement 144 533.3 66.7 L2: Any EMIF: Index 379 202.5 25.3 EMIF: Increment L2: Any 96 800 100 EMIF: Fixed L2: Any 96 800 100 EMIF: Decrement L2: Any 108 715 89.4 EMIF: Index L2: Any 495 155 19.4 可见Index传输效率最低