DMA硬件实现——读写实现

队伍编号：CICC2136
队伍名称：芯如止水

DMA，Direct Memory Access，直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只需要向DMA控制器下达指令（配置DMA寄存器），传输数据由DMA来完成，数据传送完再把信息反馈给CPU，这样能够减少CPU的资源占有率。

这里在蜂鸟核中添加了DMA模块，使得通过DMA将数据直接从SRAM1中搬移至SRAM2。硬件实现主要分成三个部分：DMA寄存器的配置、读写模块和fifo。

之前已经有对DMA寄存器配置的分析讨论，这里主要分享对DMA读写模块和fifo的分析讨论。

1.DMA读写模块

当DMA单元的寄存器配置完成之后，读写模块开始工作。此时DMA作为主设备，而SRAM1和SRAM2作为从设备。

设置模块read_or_write，这个模块中我设置了一个计数器寄存器count。前16个计数周期（count<16）时从SRAM1中读取数据，后16个计数周期（15

为了保证数据的正确读取写入，当dma_icb_rsp_valid信号拉高时遇到时钟上升沿count信号才进行加一操作。

同时，还设置了一个与数据长度寄存器长度相同的已写数据长度寄存器length_count，与数据长度寄存器data_length的值不相等时，每写入一个数据就加一；length_count的值与数据长度寄存器data_length的值相等时，将完成信号done和的中断信号dma_irq拉高。

读写模块接受DMA的配置寄存器的信息，读地址寄存器和写地址寄存器初始状态为0，DMA作为主设备对外发出读写信号时，判断读或写与上面的count信号有关。当DMA读入数据时，读地址寄存器加4，写出数据时，写地址寄存器加4。

对于其它output信号，md_valid信号在上一部分寄存器全部配置完成、且rsp_valid不为1时拉高；cmd_read在已写数据长度寄存器还没有到达要写的数据长度、且计数count<=16时拉高，表示模式为读；cmd_addr根据cmd_read分别取在读或者在写的地址。这里没有使用到掩码的功能，因此cmd_wmask的4位全部置1；中断信号irq在输出计数length_count与data_length相等且均不为0时拉高。中断拉高时根据上一部分寄存器的配置，源地址寄存器、目的地址寄存器、长度寄存器回到初始状态0，状态寄存器回到初始状态111。

此外，由于这里一次进行16个数据的读写，需要一个fifo模块存放数据。这里例化了fifo。下一小部分具体阐述fifo的实现。

2.fifo

首先进行fifo大小、数组空间及指针的定义：由上一部分，读写模块一次进行16个32位数据的读写，因此这里设置宽32位，深度16。最多存放16个数据，为防止溢出指针大小均设置为5位。

读写指针和输入输出data_in、data_out的具体实现分别如下：

//din
always@(posedge clk)
  if(w_en)
    ram[wp_addr] <= data_w;

//dout
always @(posedge clk)
  if(r_en)
    data_r <= ram[rp_addr];

//wp
always@(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)
    wp_addr <= 0;
  else if(w_en && wp_addr < 15) 
    wp_addr <= wp_addr + 1;
  else if(w_en && wp_addr == 15)
    wp_addr <= 0;

//rp
always@(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)
    rp_addr <= 0;
  else if(r_en && rp_addr < 15)
    rp_addr <= rp_addr + 1;
  else if(r_en && rp_addr == 15)
    rp_addr <= 0;

值得注意的是从dma从从设备中读出的数据实际写入FIFO时是写入数据，要写入从设备的数据实际是从FIFO中读出的数据。因此例化时，dma_icb_cmd_wdata对应FIFO模块中的data_r，dma_icb_rsp_rdata对应FIFO模块中的data_w。

3.波形分析

如下图为从SRAM1中读入数据部分的波形。

当cmd_valid拉高时，当前周期dma作为主设备会发送这次请求的具体信息，包括地址cmd_addr、读/写cmd_read，此时读操作没有wdata和wmask。cmd通道握手成功时从设备SRAM1接受了这次请求，rsp通道握手成功时从返回通道返回rsp_rdata。

可以看到设置的count寄存器正在对单次读取的数据个数进行计数；length_count则在读周期保持不变，在写周期随着写出数据个数而变化。根据第一部分硬件代码的分析，这里设置的是一轮读/写16个数据，因此，当count= 5‘h10 时，读完16个数据放入了FIFO，状态从读转为写。

而对写部分，当cmd_valid拉高时，此时的主设备dma发送这次请求的具体信息，包括地址cmd_addr、读/写cmd_read、写数据cmd_wdata、写掩码cmd_mask。cmd通道握手成功时，从设备SRAM2接受了这次请求。这里当前周期反馈信息，并且rsp通道握手成功。