Автобафер: Что такое автобаферы и стоит ли их устанавливать

Методы автобуферизации DMA — раздел 5

Для обеспечения высокой пропускной способности прямого доступа к памяти, где вы хотели бы минимизировать прерывания, несколько ядер ЦП на более высоком уровне развертывают механизмы прямого доступа к памяти в стиле разброса и сбора данных, чтобы избежать медленного копирования памяти. Приведу пример:

1. Предположим, вы хотите создать сетевой пакет и передать его на IP-ядро (MAC) контроллера доступа к среде передачи данных
2. У вас есть один заголовок Ethernet / IP / UDP / RTP или аналогичный, и вы не планируете сильно его менять во время сеанса потоковой передачи
3. Полезная нагрузка может быть в памяти, но также поступать из внешнего порта данных (например, видеоданных)

Ядро DMAA (часть семейств cCAP, начинающихся с ‘d’, например dombert) позволяет настраивать дескрипторы в специальной общей (и быстрой) двухпортовой памяти, так что механизм DMAA может почти непрерывно передавать поток в периферический.Аналогичным образом, при необходимости можно настроить дескрипторы для входных потоков (от периферии к памяти). Изображение выше должно говорить. Вы запускаете механизм DMA, записывая адрес дескриптора в регистр DMAA_START_DESC. После завершения транзакции будет запущено IRQ (что, например, позволит вам обновить порядковый номер пакета RTP). Между тем, механизм DMAA будет извлекать указатель дескриптора NEXT ( next () ) и передавать данные полезной нагрузки, на которые указывает ptr .Вам просто нужно убедиться, что процедура IRQ не тратит слишком много времени на другие дела, если вы используете тот же заголовок в следующем пакете.

Обратите внимание на управляющие биты: например, прерывание IRQ будет активировано только тогда, когда установлен соответствующий бит IRQ . Бит EN сообщает машине DMA продолжать работу после текущего дескриптора. Вся транзакция останавливается, когда последний дескриптор имеет бит EN , установленный в 0.

В примере с контроллером MAC вы можете захотеть добавить несколько блоков данных перед фактической выдачей пакета Ethernet.Как МАС узнает, сколько на самом деле длится пакет, без явной (и критичной по времени) записи регистров длины? Об этом заботится бит FL (FLUSH). После завершения транзакции DMA и установки бита FL пакет за один раз сбрасывается в MAC и немедленно отправляется. Механизм DMA ожидает, пока данные не будут переданы в FIFO пакета, а затем возобновляет работу со следующим дескриптором.

Фактически, эта концепция требует очень небольших затрат на логику и может работать на высоких скоростях даже на небольших ПЛИС (с разумным количеством буферов памяти, совместно используемых между DMAA и ядром ЦП)

Высокоскоростная потоковая передача

При потоковой передаче высокоскоростных необработанных данных вы можете не захотеть, чтобы ЦП составлял пакеты из внешних источников.Лучше передавать их прямо с периферийного устройства на MAC с чередованием. Для описанного выше дескриптора пакета полезной нагрузки альтернативным методом ввода данных будет установка бита DP (DATAPORT). В этом случае атрибуты дескриптора ptr и inc игнорируются, а количество байтов плюс один берутся из входного FIFO порта данных. Если есть преждевременный конец данных, может произойти действие ОТМЕНА. Затем DMA остановится (игнорирует бит EN), и программа пользовательского пространства может соответствующим образом отреагировать, проверив, активен ли механизм DMAA.Фактически записанное количество байтов может быть прочитано из регистра DMA_CURCOUNT, и при необходимости может произойти действие заполнения.

Аналогичным образом, при использовании этого подхода возможен прием пакетов заранее неизвестного размера. Обработчик IRQ приема DMA просто проверяет этот регистр и заполняет эффективный размер пакета в очереди пакетов приемника, которая позже опрашивается «пространством пользователя» (обычно это основной цикл голого железа).

Таким образом может быть достигнута теоретическая максимальная скорость передачи данных.Остальное — вопрос настройки правильных размеров пакетов и FIFO. Ниже вы можете увидеть график пакетов Wireshark для регулярной пачки пакетов (30 кадров в секунду). Как видите, он набрал максимально возможную пропускную способность во время пачки импульсов.

Сводка

Расширенные возможности DMA легко реализовать в SoC FPGA и делают возможной высокоскоростную передачу данных даже с помощью простых и медленных процессоров.

Некоторые справочные приложения:

• Потоковая передача сжатого видео с почти нулевой задержкой по RTP (RealTimeProtocol)
• Анализатор сигналов и блоки трассировки («цифровые осциллографы»)

Эффективное использование прямого доступа к памяти во встроенных мультимедийных приложениях: Часть 2

В прошлый раз, в части 1, мы представили некоторые основы прямого доступа к памяти (DMA) — зачем он нужен, как он структурирован и контролируется.На этот раз мы сосредоточимся на классификации передач DMA и конструкциях, связанных с настройкой этих транзакций.

Настройка DMA
Существует два основных класса конфигурации передачи DMA: режим регистрации и режим дескриптора. Независимо от класса DMA, тот же тип информации, который показан в таблице 1 ниже, попадает в контроллер DMA. Когда DMA работает в режиме регистров, контроллер DMA просто использует значения, содержащиеся в регистрах. В случае режима дескриптора контроллер DMA ищет в памяти значения своей конфигурации.

DMA на основе регистров
В DMA на основе регистров процессор напрямую программирует регистры управления DMA для инициирования передачи. DMA на основе регистров обеспечивает лучшую производительность контроллера DMA, поскольку регистры не нуждаются в постоянной перезагрузке из дескрипторов в памяти, а ядро ​​не имеет поддерживаемых дескрипторов.

DMA на основе регистров состоит из двух подрежимов: «Режим автобуфера» и «Режим остановки».В Autobuffer DMA, когда один блок передачи завершается, регистры управления автоматически перезагружаются до своих исходных значений настройки, и тот же процесс DMA перезапускается с нулевыми накладными расходами.

Как мы видим на рисунке 1 ниже, если мы настроим DMA с автобуферизацией для передачи некоторого количества слов из периферийного устройства в буфер в памяти данных L1, контроллер DMA перезагрузит начальные параметры сразу после завершения передачи последнего слова. Это создает «кольцевой буфер», потому что после того, как значение будет записано в последнюю ячейку буфера, следующее значение будет записано в первую ячейку буфера.

Autobuffer DMA особенно подходит для чувствительных к производительности приложений с непрерывными потоками данных. Контроллер DMA может читать поток независимо от других операций процессора, а затем прерывать работу ядра по завершении каждой передачи. Хотя можно корректно остановить Autobuffermode, если процесс DMA необходимо запускать и останавливать регулярно, нет смысла использовать этот режим.

Пример автобуфера
Рассмотрим приложение, в котором процессор обрабатывает 512 аудиосэмплов одновременно, а кодек (аналого-цифровой преобразователь аудио) отправляет новые данные с тактовой частотой аудиосигнала. Автобуфер DMA — идеальный выбор в этом сценарии, потому что передача данных происходит с такими периодическими интервалами.

Используя ту же модель, предположим, что мы хотим «дважды буферизовать» входящие аудиоданные. То есть мы хотим, чтобы контроллер DMA заполнял один буфер, в то время как мы работаем с другим.Процессор должен завершить работу с конкретным буфером данных до того, как контроллер DMA вернется к его началу, как показано на рисунке 2 ниже. Используя Autobuffermode, настройка проста.

Общее количество DMA автобуфера должно включать размер двух буферов данных через 2D DMA. В этом примере каждый размер буфера данных соответствует размеру внутреннего цикла 2D DMA.Количество буферов соответствует внешнему циклу. Следовательно, мы сохраняем XCOUNT = 512. Предполагая, что размер элемента аудиоданных составляет 4 байта, мы программируем размер передачи слова на 32 бита и устанавливаем XMODIFY = 4.

Поскольку нам нужно два буфера, мы устанавливаем YCOUNT = 2. Если мы хотим, чтобы два буфера располагались в памяти последовательно, мы должны установить YMODIFY = 1. Однако часто бывает разумнее разделить буферы. Таким образом, вы можете избежать конфликтов между процессором и контроллером DMA при доступе к одним и тем же суббанкам памяти.С этой целью YMODIFY может быть увеличен, чтобы обеспечить надлежащее разделение между буферами.

При передаче 2D DMA у нас есть возможность генерировать прерывание по истечении XCOUNT и / или YCOUNT. В переводе на этот пример мы можем установить прерывание DMA, чтобы оно срабатывало каждый раз, когда XCOUNT уменьшается до 0 (то есть в конце каждого набора из 512 передач). Это легко представить как получение прерывания в конце каждого внутреннего цикла.

Stop Mode работает идентично Autobuffer DMA, за исключением того, что регистры не перезагружаются после завершения DMA, поэтому вся передача DMA происходит только один раз.Режим остановки наиболее полезен для одноразовых передач, которые происходят на основе какого-либо события, например, для непериодического перемещения блоков данных из одного места в другое. Этот режим также полезен, когда вам нужно синхронизировать события. Например, если одна задача должна быть завершена до начала следующей передачи, режим остановки может гарантировать эту последовательность. Кроме того, режим остановки полезен для инициализации буфера.

Передачи DMA, основанные на дескрипторах, требуют набора параметров, хранящихся в памяти, чтобы инициировать последовательность DMA.Дескриптор содержит все те же параметры, которые обычно программируются в наборе регистров DMAcontrol. Однако дескрипторы также позволяют объединять в цепочку несколько последовательностей DMA. В операциях DMA на основе дескрипторов мы можем запрограммировать канал DMA для автоматической настройки и запуска другой передачи DMA после завершения текущей последовательности. Модель на основе дескрипторов обеспечивает максимальную гибкость в управлении DMA-передачами системы.

В процессорах Blackfin от Analog Devices есть две основные модели дескрипторов — схема «DescriptorArray» и метод «Список дескрипторов».Цель этих двух моделей — найти компромисс между гибкостью и производительностью. Давайте посмотрим, как это делается.

В режиме массива дескрипторов дескрипторы располагаются в последовательных ячейках памяти. Контроллер DMA по-прежнему извлекает дескрипторы из памяти, но поскольку следующий дескриптор следует сразу за текущим дескриптором, два слова, описывающие, где искать следующий дескриптор (и их соответствующие выборки дескриптора), не нужны. Поскольку дескриптор не содержит эту запись Next DescriptorPointer, контроллер DMA ожидает, что группа дескрипторов будет следовать друг за другом в памяти, как массив.

Список дескрипторов используется, когда отдельные дескрипторы не размещаются в памяти «один за другим». На самом деле здесь есть несколько подрежимов, опять же, чтобы позволить компромисс между производительностью и гибкостью. В модели «малого дескриптора» дескрипторы включают в себя одно 16-битное поле, которое определяет нижнюю часть поля указателя следующего дескриптора; верхняя часть программируется отдельно через регистр и не изменяется. Это, конечно, ограничивает дескрипторы определенной страницей в памяти размером 64 КБ (= 216).Когда дескрипторы должны быть расположены через эту границу, доступна «большая» модель, которая предоставляет 32 бита для записи указателя следующего дескриптора.

Независимо от режима дескриптора, использование большего количества значений дескриптора требует большего количества выборок дескриптора. Вот почему процессоры Blackfin определяют «модель гибкого дескриптора», которая адаптирует длину дескриптора для включения только того, что необходимо для конкретной передачи, как показано на рисунке 3 ниже. Например, если 2D DMA не требуется, регистры YMODIFY и YCOUNT не обязательно должны быть частью блока дескриптора.

Управление дескрипторами
Итак, как лучше всего управлять списком дескрипторов? Что ж, ответ зависит от приложения, но важно понимать, какие существуют альтернативы.

Первый вариант, который мы опишем, очень похож на Autobuffer DMA. Он включает в себя настройку нескольких дескрипторов, которые связаны вместе, как показано на рисунке 4a ниже.Термин «связанный» подразумевает, что один дескриптор указывает на следующий дескриптор, который загружается автоматически. Для завершения цепочки последний дескриптор указывает на первый дескриптор, и процесс повторяется. Одна из причин использовать этот метод, а не режим автобуфера, заключается в том, что дескрипторы обеспечивают большую гибкость в размере и направлении передачи.

Второй вариант предполагает, что процессор вручную управляет списком дескрипторов. Напомним, что дескриптор — это действительно структура памяти.Каждый дескриптор содержит слово конфигурации. Каждое слово конфигурации содержит бит «Разрешить», который может регулировать начало передачи. Предположим, у нас есть четыре буфера, которые должны переместить данные в течение некоторого заданного интервала задачи. Если нам нужно, чтобы процессор запускал каждую передачу конкретно, когда процессор готов, мы можем настроить все дескрипторы заранее, но с очищенными битами «Включить». Когда процессор определяет, что настало время для запуска дескриптора, он просто обновляет дескриптор в памяти и затем записывает в регистр DMA, чтобы запустить заблокированный канал DMA. На рисунке 4b ниже показан пример этого потока.

Когда этот тип перевода полезен?
Рассмотрим мультимедийное приложение, которое включает синхронизацию входящего потока с выходным потоком. Например, мы можем получать видеосэмплы в память со скоростью, отличной от скорости, с которой мы отображаем выходное видео.Это произойдет в реальных системах, даже если вы попытаетесь заставить потоки работать с точно такой же тактовой частотой. В случаях, когда синхронизация является проблемой, процессор может вручную отрегулировать дескрипторы DMA, соответствующие выходному буферу. Перед тем, как следующий дескриптор будет включен, процессор может синхронизировать поток, настроив текущий дескриптор вывода с помощью механизма семафора, который гарантирует, что только один объект одновременно получает доступ к совместно используемому ресурсу.

При использовании внутренних цепочек дескрипторов DMA или потоков на основе DMA между процессорами также может быть полезно добавить дополнительное слово в конце передаваемого блока данных, которое помогает идентифицировать отправляемый пакет, включая информацию о том, как обрабатывать данные и, возможно, штамп времени.Пунктирная область на рисунке 4b показывает пример этой схемы.

Большинство сложных приложений имеют функцию «DMA Manager», реализованную в программном обеспечении. Это может быть предоставлено как часть операционной системы или ядра реального времени, но оно также может работать без любого из них. На процессорах Blackfin эта функция предоставляется как часть системных служб в наборе инструментов VisualDSP ++. Этот функционал управления позволяет перемещать данные через стандартный API без необходимости вручную настраивать каждый контрольный регистр.

Обычно приложение отправляет запросы дескриптора DMA диспетчеру очередей DMA, который отвечает за обработку каждого запроса. Эти запросы обрабатываются в том порядке, в котором они получены программным обеспечением приложения. Обычно адресный указатель на функцию обратного вызова также является частью системы. Эта функция выполняет ту работу, которую вы хотите, чтобы процессор выполнял, когда буфер данных готов, без необходимости заставляя ядро ​​задерживаться в подпрограмме обслуживания прерываний с высоким приоритетом.В общем, диспетчер DMA может упростить модель программирования, поскольку он абстрагирует передачи данных.

Существует два основных метода управления очередью дескрипторов с использованием прерываний. Первый основан на прерывании после завершения каждого дескриптора. Используйте этот метод только в том случае, если вы можете гарантировать, что каждое событие прерывания будет обслуживаться отдельно, без переполнения прерывания. Второй включает прерывание только после завершения передачи работы, указанной последним дескриптором рабочего блока.Рабочий блок — это набор из одного или нескольких дескрипторов.

Чтобы поддерживать синхронизацию очереди дескрипторов, программное обеспечение без прерывания должно поддерживать количество дескрипторов, добавленных в очередь, в то время как обработчик прерывания поддерживает количество завершенных дескрипторов, удаленных из очереди. Счетчики тогда равны только тогда, когда канал DMA приостанавливается после обработки всех дескрипторов.

В этой статье мы обсудили структуры потока данных DMA, основанные на регистрах и дескрипторах, и о том, как использовать каждый тип.В следующий раз в части 3 мы рассмотрим некоторые расширенные функции DMA, которые помогают эффективно перемещать данные в мультимедийных системах.

Чтобы прочитать первую часть этой серии из четырех частей, перейдите к «Основам прямого доступа к памяти».

Эта серия из четырех статей основана на материалах из «EmbeddedMedia Processing» Дэвида Кацанда Рика Джентиле, опубликованных Newnes / Elsevier.

Рик Джентиле и Дэвид Кац — старшие инженеры по приложениям DSP в группе Blackfin Applications Group компании AnalogDevices, Inc.