一种基于CPLD的DMA控制器IP核设计

1、前言

单片机以其高可靠性，高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。在单片机家族的众多成员中，MSC一51系列单片机占领了广阔的市场，成为国内单片机应用领域的主流。

但是由于8013硬件结构和指令系统的限制，当需要高速率大批量数据传送时，数据吞吐速率往往不能满足设计要求。即使采用提升振荡器频率的办法，结果仍不尽如人意，所以寻找一种新的数据传输方法显得很有必要，这不仅使人想到通用计算机的DMA数据传输技术。

2、DMA简介

DMA数据传送是由DMA控制器完成的。进行数据传输时，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和FO设备之间进行。DMA控制器将向内存发出地址和控制信号，修改地址，对传送字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。

DMA方式的主要优点是速度快。由于CPU不参与数据传送操作，因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等等，也不是由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。所以DMA方式能满足高速FO设备的要求，也有利于CPU效率的发挥。

3、标准8031数据传输与DMA数据传输对比

MCS一15单片机读写外部数据存储器的时序如图1所示。

在图(1)a的外部数据存储器读周期中，P2口输出外部RAM单元的高八位地址，P0口分时传送低八位地址及数据。当地址锁存信号ALE为高电平时，印口输出的地址信息有效，A比的下降沿将此地址打人外部地址锁存器，接着即口变为输人方式，读信号RD有效，选通外部RAM，相应存储单元的内容送到印口上，由CPU读人累加器。

外部数据存储器的写周期波形如图(1)b所示，其操作过程与读周期类似。写操作时，在A比下降为低电平以后，WR信号才有效，PO口上出现的数据写人相应的RAM单元。

CPU把数据从存储器传输到FO口，需要以下步骤:

·MovxA，@DPrR;从存储器读取一字节数据(24个振荡周期)

·MOVX@DPrR，A;将数据写人到FO口(24个振荡周期)

DMA控制器把数据从存储器传输到FO设备称为读传送，在这个周期里，产生存储器地址，并输出存储器读(MEMR)和10口写(row)信号。其时序如图2所示。

当数据准备好以后，设备向DMA控制器发出DMA请求DREQ信号，DMA控制器接到请求后向CPU发出总线请求信号HRQ，CPU在现行的机器周期结束后，发出总线保持信号HLDA，于是DMA控制器就接管总线，向地址总线发出地址信号，给出存储器读和ro口写的命令，就可把存储器中的数据送到FO口上。然后修改地址指针，增或减数据宽度计数器，检查传送是否结束，若未结束则循环至整个数据传送完。

整个数据传送完后，DMA控制器撤销总线请求信号HRQ，同时输出传送结束信号EOP。CPU接收到EOP信号后，在下一个周期就可以重新控制总线。

从以上对比分析可以看出，从存储器往FO口传送一字节数据，使用标准8031至少需要48个振荡周期，而用DMA控制器仅需2个振荡周期，效率大大高于前者，尤其是在做块传送时，效果更为显著。

4、用CPLD实现DMA传输在显示屏扫描卡上的应用

显示屏扫描卡的功能是将存储在RAM中的图像数据按照预定的显示方式进行处理，再发送到比D显示屏上。其中绝大部分时间，CPU的工作是将处理好的数据以很高的速率发送到LED显示屏上，来保证良好的视觉效果。

考虑到系统的简化、灵活、高集成度，这里选择用CPLD实现CPU停机方式DMA读传输功能来完成数据从存储器到LED显示屏的传送工作。

整个数据传输工作分以下几个步骤:①CPu准备数据;②CPU配置DMA控制器。例如数据传送首地址，传送字节数;③CPU向DMA控制器提出DMA请求(DREQ)。由于数据准备工作是由CPU完成的，所以传送请求也由CPU提出;④DMA接到请求后，向CPU提出总线请求(HRQ);⑤CPU释放总线，同时向DMA发出总线保持信号(HLDA);⑥DMA接管总线，进行数据传输。

由于本系统中准备数据是由CPU完成的，也就是说CPU完全清楚何时需要释放总线进行DMA传送，所以可将步骤3、4省略，即DREQ和HRQ信号省略。其原理图如图3所示。

图3中，CTRL为中心控制核，它按照设定的传输字节数产生地址计数脉冲CLK，读信号MR(该信号经742科驱动后成为存储器读和FO口写信号)，传输结束信号EOP。CTRL内部定义了一个8位锁存器和一个9位减法计数器。WIDTH为置数控制端，当饥DTH为低电平时，数据总线上的传送字节数送入CTRL中，WID仪为高电平时数据锁存。EN为计数使能，为高时传送字节数送人9位减法计数器的高8位中，减法计数器的最低位置0，同时CTRL将EOP脚(传送结束信号)置高，EN变低后，减法计数器在时钟XT下降沿作用下做减1计数，计数值减到0时CTRL停止减计数并将EOP信号置低，通知CPU传送结束。其控制时序如图4所示。

cTRL的vHDL程序

BEGIN

cKL<=cnt(0);一地址计数脉冲输出

MEMR<=NOTcnt(0);一RAM读信号输出

PROCESS(WIDTH)

BEGIN

FIiwDTH=0’THEN一置人传送字节数

图3中，COUNT16是16位加法计数器。DPH、DPL是地址高8位和低8位置数控制端，低电平有效。EN为计数使能，为低时，在由CTRL产生的脉冲作用下做加1计数。

平时CPU具有地址总线的控制权，DMA控制器的地址线A15一AO、存储器读MEMR、FO口写IOW输出均为高阻。当需要做DMA数据传送时，首先CPu将传送的数据宽度、被传送数据在存储器的首地址写人DMA控制器，然后将HDLA置高，让出地址总线控制权。DMA控制器检测到HLDA变高后，cTRL按照预定的传送数据宽度，输出地址计数脉冲和数据存储器读信号MEMR，couN1T6在地址计数脉冲作用下，在首地址基础上做加1计数，输出16位地址。当数据传送完毕，EOP输出低电平，通知CPU数据传送结束。CPU通过查询或中断方式检测到EOP的低电平信号后，将HLDA拉低，DMA控制器接到HDLA变低的信号后将EOP信号置高，释放地址总线控制权，结束整个DMA传送过程。图5是DMA控制器的仿真波形图。

8031操作DMA控制器的5C1程序

void DMA(unsigned int address，unsignedcha

len){

WIDTH

ADDL

=len;/*设置传送数据宽度*/

=(unsi卯edchar)address%256;/*设置传送数据首地址*/

ADDH=(unsignedchar)address/256;

EN=0;/*启动DMA传送*/

while(IN功==1);/*等待传输结束*/

EN=1;

5、结束语

以上所阐述的只是DMA控制器的一种使用特例，真正的DMA控制器功能要更为强大，但对于显示屏扫描卡来说，这些已经完全能够实现系统要求了，并且使数据传输速率有了显著的提高。