片上系统的数据传输方法及直接存储器访问控制器

摘要

本发明公开了一种片上系统的数据传输方法，包括：在片上系统的直接存储器访问控制器内设置至少一个带有标签的数据寄存器，所述标签包含与目的状态机一一对应的状态位；源状态机将源设备的数据填写到所述数据寄存器，并填写所述数据寄存器标签的状态位；所述目的状态机在其对应的状态位为可读取状态时，读取所述数据寄存器内的数据，传送至目的设备。同时，本发明还公开一种片上系统的直接存储器访问控制器，及一种数据保留站。本发明在片上系统采用组播传输模式时，减少因对源设备的多次访问而增加系统总的处理延迟，减少片上系统的数据传输量与总线传输负荷。

说明书

技术领域

本发明涉及片上系统领域，特别是涉及片上系统的数据传输方法及直接存储器访问控制器。

背景技术

随着半导体技术的发展，片上系统允许将越来越多的模块集成到单个芯片之中，芯片设计者所面向的系统应用也愈加复杂与多样化。片上系统的数据传输多采用直接存储器访问(DMA)形式，依靠硬件实现源设备与目的设备之间的数据直接传输，而数据传输过程不需处理器干预。

目前，片上系统中所引入的直接存储器访问(DMA)主要分为两种模式，一种是基于集中式的传输模式，系统内所有数据流传输由一个或少数DMA控制器承担，从而有利于传输资源的共享；另一种是基于分布式的传输模式，系统为有传输需求的模块单独设立DMA控制器和传输通道，传输数据时，启动相应源设备和目的设备的DMA控制器，通过专用的数据总线或数据通道实现数据的传输。

参阅图1，为采用基于集中式传输模式的DMA的片上系统示意图，包括主控制器11、缓存12、DMA控制器13、及处理引擎14。DMA控制器13设置在数据传输总线上，使用独立的数据通道，将主控制器11经缓存12发送的数据，传送到指定的处理引擎14中。但是，集中式传输模式在面向复杂系统的多对数据流传输时，往往会由于DMA控制器13主接口的设置受到总线结构的限制，从而影响了系统的传输延迟和整体性能。

参阅图2，为采用基于分散式传输模式的DMA的片上系统示意图。每一个处理引擎14通过数据缓冲15耦合连接一个DMA控制器13。当处理引擎14需要传输数据时，其连接的DMA控制器13通过专用的数据通道来传输数据。分散式数据传输模式将各个模块本地化、专有化，虽然能降低系统资源的共享冲突，但同时也提高了数据传输的代价，处理引擎14空闲时，其对应DMA控制器13的利用率非常低。

参阅图3，为现有DMA控制器13的内部结构示意图，包括硬件握手接口131、源状态机132、缓冲FIF0133、目的状态机134、仲裁器135、主接口136、及从接口137。

源状态机132通过缓冲FIF0133与目的状态机134一一对应。源状态机132通过仲裁器135接收主接口136传输的数据，再通过缓冲FIF0133将数据传送到对应的目的状态机134。目的状态机134再通过仲裁器135、主接口136将数据传送到目的设备。源状态机132和目的状态机134接收处理器通过从接口137发送的传输指令。

在该DMA控制器13中，源状态机132和目的状态机134是一一对应的，每对源状态机132和目的状态机134之间都使用独立的通道传输数据。因此，无论是集中式、还是分布式的DMA控制器13，都仅适用于多个独立数据流的传输。DMA控制器13在多个源设备对多个目的设备的数据传输中，各源状态机132都需要访问源设备，源设备也必须将数据复制多次后传送至各源状态机132。源状态机132对源设备的竞争访问增加了系统总的处理延迟，数据复制多次后传输导致片上系统的数据传输量与总线传输负荷加大。

随着SoC设计所面向的应用越来越复杂并多样化，许多通信计算领域的协议都基于分组处理的思想而设计，这些协议对分组数据的操作通常包含接收、处理、转发和丢弃等。因而每个分组一般会执行多个处理及安全操作，例如：在无限局域网安全协议TKIP中，要同时对一个分组数据做Michael完整性校验、CRC32校验、数据加密等多个操作，但每种操作所处理的分组包头数据并不完全一致，从而使得系统内各个模块间的数据交互变得异常复杂。这样便形成了一种新的数据传输模式——从一个数据源同时到多个数据目的设备的传输---既片上系统的组播传输。并且在这种组播传输中经常会遇到有两个或多个目的状态机所处理的数据相同或大部分相同的情况，现有的DMA控制器在面对这种类型的传输时，因其将内部结构中的缓冲FIFO做为每对源与目的状态机间的独立通道来传送数据，这需要源状态机多次访问源设备，获取数据，再通过缓冲FIFO传送到各目的状态机。相同数据的多次传输，将导致片上系统的数据传输量与总线传输负荷增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种片上系统的数据传输方法，能够减少对源设备的多次访问而增加系统总的处理延迟，减少片上系统的数据传输量与总线传输负荷。

本发明的另一个目的是提供一种片上系统的DMA控制器，该DMA控制器在在片上系统进行数据传输时，可减少对源设备的多次访问而增加系统总的处理延迟，减少片上系统的数据传输量与总线传输负荷。

本发明一种片上系统的数据传输方法，包括：

在片上系统的直接存储器访问控制器内设置至少一个带有标签的数据寄存器，所述标签包含与目的状态机一一对应的状态位；

源状态机将源设备的数据填写到所述数据寄存器，并填写所述数据寄存器标签的状态位；

所述目的状态机在其对应的状态位为可读取状态时，读取所述数据寄存器内的数据，传送至目的设备。

优选的，按下述步骤，源状态机将源设备的数据填写到所述数据寄存器：

源状态机接收源设备传送的数据；

源状态机将数据按循环计数方式填写到各所述数据寄存器。

优选的，按下述步骤，填写所述数据寄存器标签的状态位：

源状态机确定需要读取数据的目的状态机，将该目的状态机对应的状态位填写为可读取状态。

优选的，读取所述数据寄存器内的数据之后，还包括所述目的状态机将对应的状态位填写为禁读取状态。

优选的，每个所述数据寄存器的大小为所述源设备突发和所述目的设备突发的最大公约数。

优选的，如数据寄存器标签中具有处于可读取状态的状态位，则禁止所述源状态机向该数据寄存器填写数据。

优选的，如数据寄存器标签的各状态位都处于禁读取状态，则挂起所述目的状态机。

本发明一种片上系统的直接存储器访问控制器，包括数据保留站、至少一个源状态机、及至少一个目的状态机；

所述数据保留站，包含至少一个带有标签的数据寄存器，所述标签包含与目的状态机一一对应的状态位；

所述源状态机，用于将源设备的数据填写到所述数据寄存器，并填写其标签的状态位；

所述目的状态机，用于在对应的状态位为可读取状态时，读取所述数据寄存器内的数据，传送至目的设备。

优选的，所述源状态机包括源置位单元和数据传输单元；

所述数据传输单元，用于将源设备的数据传送至所述数据寄存器；

所述源置位单元，用于确定需要读取上述数据的目的状态机，并将该目的状态机对应的状态位填写为可读取状态。

优选的，所述源状态机还包括；

禁止传输单元，用于在数据寄存器的标签中具有处于可读取状态的状态位时，禁止所述数据传输单元向所述数据寄存器填写数据。

优选的，所述目的状态机包括数据传送单元和目的置位单元；

所述数据传送单元，用于在对应的状态位为可读取状态时，读取所述数据寄存器内的数据，传送至目的设备；

所述目的置位单元，用于在所述数据传送单元读取数据之后，将该目的状态机对应的状态位填写为禁读取状态。

优选的，所述目的状态机还包括；

禁止读取单元，用于在数据寄存器标签的各状态位都处于禁读取状态时，挂起所述目的状态机。

本发明一种数据保留站，包括至少一个带标签的数据寄存器，所述标签包含与目的状态机一一对应的状态位。

优选的，每个所述数据寄存器的大小为源设备突发和目的设备突发的最大公约数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用数据保留站替代现有直接访问控制器中的缓冲FIFO，使原独立的数据传输通道共享。数据保留站内包含多个带有标签的数据寄存器，标签包括与目的状态机一一对应的状态位。源状态机将源设备传送的数据转发到数据寄存器，同时将需要读取该数据的目的状态机对应的状态位置于可读取状态，使需要该数据的目的状态机在其对应的状态位为可读取状态时，读取该数据，并传送到相应的目的设备。这样，在片上系统应用组播传输，只需源状态机访问一次源设备，避免增大片上系统的数据传输量与总线传输负荷。同时，本发明因各目的状态机是根据其对应状态位来读取数据，并不需同时读取数据，因此支持非完全组播传输形式的数据传输。

本发明数据寄存器的大小为源设备突发和目的设备突发的最大公约数。在保证每个目的状态机一次可读取并传送数据寄存器内的全部数据的前提下，让目的状态机每次可读取最多的数据，使存储器直接访问控制器的总控制逻辑减少，数据的传送更简捷。

本发明采用写禁止，在数据寄存器的标签中具有处于可读取状态的状态位时，禁止源状态机向该数据寄存器传送数据，防止数据寄存器在各个目的状态机还没完成对其读操作之前，源状态机传送的新数据覆盖原数据。

本发明采用读禁止，在数据寄存器的标签的各状态位都处于禁读取状态时，挂起、暂停目的状态机从该数据寄存器读取数据。避免在某个目的状态机对数据寄存器的读取速度比源状态机传送数据快时，出现源状态机还未传送数据到数据寄存器，标签的各状态位也未填写，但该目的状态机因其对应的状态位为禁读取状态，而跳过该数据寄存器，导致源状态机与目的状态机的读写数据顺序混乱。

附图说明

图1为采用基于集中式传输模式的DMA的片上系统示意图；

图2为采用基于分散式传输模式的DMA的片上系统示意图；

图3为现有DMA控制器的内部结构示意图；

图4为本发明DMA控制器一实施例的结构示意图；

图5为本发明数据保留站一实施例的结构示意图；

图6为本发明数据保留站的读写逻辑控制示意图；

图7为本发明DMA控制器另一实施例的结构示意图；

图8为本发明源状态机一实施例结构示意图；

图9为本发明目的状态机一实施例结构示意图；

图10为本发明片上系统的数据组播传输方法一实施例流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心思想是采用数据保留站替代原直接访问控制器中的缓冲FIFO，使原独立的数据传输通道共享。数据保留站内包含多个带有标签的数据寄存器，标签包括与目的状态机一一对应的状态位。源状态机将源设备传送的数据转发到数据寄存器，同时将需要读取该数据的目的状态机对应的状态位置于可读取状态，使需要该数据的目的状态机在其对应的状态位为可读取状态时，读取该数据，并传送到相应的目的设备。在源状态机从源设备读取数据时，在一个读取周期内将要传输到各个目的设备的数据同时读出来，转发到所述数据寄存器中，这样如果要传输到各个目的设备的数据中有部分或全部相同时，相同部分只需要从源设备读取一次，从而减少了对源设备的多次访问而增加系统总的处理延迟，减少了片上系统的数据传输量与总线传输负荷。

参阅图4，为本发明DMA控制器一实施例的结构示意图，包括硬件握手接口131、源状态机132、多个目的状态机134、仲裁器135、多个主接口136、从接口137、及数据保留站41。

硬件握手接口131连接存储数据的源设备，使DMA控制器与源设备间采用统一的协议传输数据。

源状态机132通过仲裁器135、主接口136从源设备获取数据，并按一定的规则将数据填写到数据保留站41内的数据寄存器中，同时填写该数据寄存器标签的各状态位。

数据保留站41同时连接多个目的状态机134。数据保留站41包括多个数据寄存器，每个数据寄存器都带有标签。标签包含与目的状态机134一一对应的状态位。状态位分为可读取状态，以“1”表示；禁读取状态，以“0”表示。状态位为“1”时，其对应的目的状态机134可读取该数据寄存器内的数据；状态位为“0”时，其对应的目的状态机134不可读取该数据寄存器内的数据。

数据保留站41要满足从源设备到目的设备的传输路径中不出现数据拥塞现象，同时还要尽量降低由于各目的设备间共享传输通道，但各目的设备数据消耗速率不同，而产生数据消耗速率较快的目的设备等待接收数据的现象。因此，数据保留站41的大小需要综合考虑以下参数，源状态机132与源设备间的数据传输速率、各目的状态机134与目的设备间的数据传输速率、及上述速率的最大瞬时差。优选方式为数据保留站41的大小为上述速率的最大值。

各目的状态机134检测其对应的、数据保留站41内各数据寄存器标签的状态位，在状态位数值为“1”时，目的状态机134读取该数据寄存器内的数据，并将该状态位填写为“0”，表示数据已读取。目的状态机134通过仲裁器135、主接口136将数据传送到其对应的目的设备。在状态位数值为“0”时，目的状态机134不读取该数据寄存内的数据。

从接口137连接处理器和源状态机132、各目的状态机134，将处理器的数据传输指令发送到相应的源状态机132和目的状态机134。

参阅图5，为本发明数据保留站41一实施例的结构示意图，该数据保留站41包括4个数据寄存器，分别为数据寄存器1、数据寄存器2、数据寄存器3、及数据寄存器4。每个数据寄存器都包含具有三个状态位的标签，分为第一状态位、第二状态位、第三状态位。每一个状态位都对应一个目的状态机134。

源状态机132按循环计数方式向各数据寄存器填写数据，再由各目的状态机134以循环计数方式在各数据寄存器内读取数据。如，源状态机132按照数据寄存器1、数据寄存器2、数据寄存器3、及数据寄存器4、数据寄存器1......顺序周而复始地填写数据。各目的状态机134按照相同的顺序读取数据。

源状态机132将数据填写到数据寄存器，同时还要根据数据传输配置情况来填写该数据寄存器标签的状态位。如，源状态机132将一组数据填写到数据寄存器1内，根据数据传输配置，第一目的状态机134需传送该数据，第二、第三目的状态机134不需传送该数据，源状态机132将数据寄存器1标签的第一状态位填写为“1”，将第二、第三状态位填写为“0”。

各目的状态机134按循环计数方式在数据寄存器1内读取数据时，需先检测其对应的、数据寄存器1标签的状态位的状态值。第一目的状态机134检测到其对应第一状态位为“1”，则读取该数据，同时数据寄存器1标签的第一状态位填写为“0”。第二、三目的状态机134检测到其对应的第二、三状态位为“0”，则不读取数据寄存器1内的数据。

每个数据寄存器的容量越大，各目的状态机134一次读取的数据就越多，DMA控制器的总控制逻辑就减少很多，数据传输更便捷，但还必须保证各目的状态机134一次能够读取数据寄存器内的数据，以防止数据读取混乱。因此，数据寄存器的容量需综合考虑以下因素，源设备数据传输的突发(burst)大小、各目的设备传输burst的大小、及上述burst值之间的最大公约数。突发为设备一个传输周期内发送数据地址的个数，各个设备在一个传输周期内只能传输与突发相应组数据。优选方式为各数据寄存器的大小可为上述burst值的最大公约数。

如，源设备burst的大小为8，第一目的设备的burst为4，第二目的设备的burst为12，第三目的设备的burst为24。这表明源状态机132一个传输周期内可传输8组数据，第一目的状态机134一个周期内可读取4组数据，第二目的状态机134一个周期内可读取8组数据，第三目的状态机134一个周期内可读取12组数据。其中，8、4、8、12的最大公约数为4，每个数据寄存器的大小为4，表示每个数据寄存器的容量为4倍传输总线的有效宽度。

。在保证每个目的状态机134一次可读取并传送数据寄存器内的全部数据的前提下，让各目的状态机134每次可读取最多的数据。

为了避免目的状态机132与源状态机134之间对数据保留站41同一寄存器的读写冲突，还需要相应的读写控制逻辑。参阅图6，为本发明数据保留站41的读写逻辑控制示意图，读写逻辑控制分为写禁止逻辑和读禁止逻辑。

各数据寄存器在所有目的状态机134还没完成对它的读操作之前，为确保源状态机132不对其进行写操作，避免覆盖原数据，本发明采用写禁止逻辑：将数据寄存器标签的全部状态位进行归约或；若结果为“1”，表明该标签内具有处于可读取状态的状态位，还有目的状态机134没有读取该数据寄存器内的数据，此时禁止源状态机132的写操作；若结果为“0”，表明该标签内没有处于可读取状态的状态位，目的状态机134都已读取该数据寄存器内的数据，则允许源状态机132的写操作。

如某个目的状态机134对数据保留站41的读取速度比源状态机132写入速度要快，则会出现数据寄存器的数据尚未被写入，标签的状态位也未填写状态值，该目的状态机134检测该数据寄存器标签的对应状态位为“0”，则跳过该读取周期，导致源状态机132与目的状态机134的读写顺序混乱。为避免这种情形出现，本发明采用读禁止逻辑：对数据寄存器标签的全部状态位进行归约或，若结果为“0”，表明该数据寄存器标签不具有处于可取状态的状态位，则禁止各目的状态机134读取该数据寄存器内的数据，挂起、暂停要读取该数据寄存器的各目的状态机134内部的状态检测装置和状态更新装置；若结果为“1”，则正常顺序进行读取。

因源状态机132在对数据寄存器填写数据时，必有一目的状态机134需读取该数据，因此该数据寄存器标签的状态位中至少存在一状态位的值为“1”，如各状态位都为“0”，既规约或值为“0”，表示源状态机132还没有填写数据，禁止各目的状态机134跳过该数据寄存器，避免数据的读写混乱。

本发明数据保留站41内的数据直接来自于源状态机132，并直接定向到各目的状态机134。源状态机134对数据保留站41的标签状态位查询、填写数据、填写标签状态位等操作时序可通过流水线来实现，保证平均一个周期内可完成一次写操作。同理，目的状态机134对数据保留站41的标签状态位检测、读取数据、更新标签状态位等操作时序亦可通过流水线实现，保证平均每周期完成一次读取操作。

由于源状态机132、目的状态机134的对数据保留站41的读写操作不冲突，因此可以并行进行，以提高数据传输速度。若该DMA控制器的每个状态机都对应一个主总线接口136，并且相应总线速率足够高，不会成为DMA数据传输的瓶颈时，片上系统正常运行的最高传输速率可使各目的状态机同时并行传输数据。

本发明在片上系统应用组播传输时，对于所有目的状态机传送的相同数据部分，只需源状态机132访问一次源设备，减少了因对源设备的多次访问增加片上系统总的处理延迟，避免增加片上系统的数据传输量与总线传输负荷。

同时，本发明因各目的状态机134是根据其对应状态位来读取数据，因此可以实现各目的状态机134不同时读取、传送数据。如，本发明通过填写数据寄存器的状态位，可使第一目的状态机读取数据，而第二、第三目的状态机不读取数据，实现源设备的某一数据只到第一目的设备，不到第二、第三目的设备的传输。因此本发明支持非完全组播传输形式的数据传输。

参阅图7，为本发明DMA控制器另一实施例的结构示意图，包括硬件握手接口131、多个源状态机132、多个目的状态机134、仲裁器135、多个主接口136、从接口137、及数据保留站41。

数据保留站41同时连接多个源状态机132和目的状态机134。各源状态机132通过仲裁器135、主接口136从源设备获取数据，并按一定的规则将数据填写到数据保留站41内的数据寄存器中，同时填写该数据寄存器标签的各状态位。

各目的状态机134检测其对应的、数据保留站41内各数据寄存器标签的状态位，在状态位数值为“1”时，目的状态机134读取该数据寄存器内的数据，并将该状态位填写为“0”，表示数据已读取。目的状态机134通过仲裁器135、主接口136将数据传送到其对应的目的设备。在状态位数值为“0”时，目的状态机134不读取该数据寄存内的数据。

各源状态机132通过一定优先级机制获取填写数据寄存器的操作权，并且仅限写入数据的源状态机132在该操作周期同时更新其内部指向数据寄存器指针的循环计数器与地址计数器；其他没有填写数据的源状态机132只更新循环计数器，不更新地址计数器，以保证传输配置的正确执行。

参阅图8，为本发明源状态机一实施例结构示意图，包括数据传输单元81、源置位单元82、禁止传输单元83、及防止冲突单元84。

数据传输单元81将源设备的数据按循环计数方式填写到数据保留站内的各数据寄存器，同时发送信息到源置位单元82。

源置位单元82确定需要读取上述数据的目的状态机134，将这些目的状态机134对应的该数据寄存器标签的状态位填写为可读取状态“1”，其它状态位填写为禁读取状态“0”。

禁止传输单元83在数据寄存器的标签中具有处于可读取状态的状态位时，发送禁止填写数据指令到数据传输单元81，禁止数据传输单元81向该数据寄存器传输数据。

如DMA控制器内13的源状态机132为两个或两个以上，则每个源状态机132还包括防止冲突单元84。防止冲突单元84利用仲裁逻辑，解决多个源状态机132同时对数据寄存器的竞争访问的问题。

防止冲突单元84与数据存储单元81连接，防止冲突单元84如接收到数据传输单元81在填写数据时发送的填写确认信息，则在该操作周期同时更新其内部指向数据寄存器指针的循环计数器与地址计数器；如没有接收到其他没有数据传输单元81在填写数据时发送的信息，则只更新循环计数器，不更新地址计数器，以保证传输配置的正确执行。

参阅图9，为本发明目的状态机一实施例结构示意图，包括数据传送单元91、目的置位单元92、及禁止读取单元93。

数据传送单元91在其对应的、数据保留站41内数据寄存器标签的状态位为可读取状态“1”时，读取该数据寄存器内的数据，传送至目的设备。同时发送已读取信息到目的置为单元92。

目的置位单元92接收到数据传送单元91的已读取信息后，将该目的状态机134对应的状态位填写为禁读取状态。

禁止读取单元93在数据寄存器标签的各状态位都处于禁读取状态时，发送挂起指令到目的置位单元92和数据传送单元91，使目的置位单元92和数据传送单元91处于暂时挂起状态，暂停从该数据寄存器读取数据，及填写相应状态位。

参阅图10，为本发明一种片上系统的数据组播传输方法一实施例流程图，具体包括以下步骤。

步骤1001、在片上系统的DMA控制器内设置数据保留站41，数据保留站41包含多个带有标签的数据寄存器，标签包含与目的状态机134对应的状态位。

步骤1002、源状态机132接收源设备通过主接口136、仲裁器135传送的数据。

步骤1003、源状态机132按循环计数方式将数据填写到数据保留站41内各数据寄存器。

步骤1004、源状态机132确定需要读取数据的各目的状态机134，将该目的状态机134对应的状态位填写为可读取状态。

步骤1005、目的状态机134查询其对应的状态位的当前状态，如为可读取状态，则读取数据寄存器内的数据；如为不可读取状态则放弃读取数据。

步骤1006、目的状态机134传输数据至目的设备，并将对应的状态位填写为禁读取状态。

若片上系统的DMA控制器所承担的数据传输任务相对简单。如，只是一点到两点的数据传输，本发明可将源状态机132与目的状态机134合并，统一对数据保留站41进行控制，以实现数据的组播传输。同样，本发明可将源状态机132、及目的状态机134对数据保留站41内数据寄存器标签的各状态位的检测状态位、填写状态值、更新状态值、及读写逻辑控制等操作，统一由某一设备实现。

本发明采用集中式的数据传输控制，在现有DMA控制器的基础上，不需做更大的、复杂的改动即可实现，非常适合在目前嵌入式片上系统使用。

以上对本发明所提供的片上系统的数据传输方法及DMA控制器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。