基于DMA组件的SD卡数码相框

本实例发布于《SF-CY3 FPGA套件开发指南Ver6.15（by特权同学）.pdf》中，下载地址：

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10.12.1 功能概述

如图所示，我们这一个实例要在上一个工程的基础上，添加一个DMA组件。这个DMA组件挂在Avalon-MM总线上，用于NIOS II处理器进行一些寄存器的读写，从而完成基本的组件控制功能；而DMA组件最核心的功能，当然是搬数据了，并且是在处理器不干涉的情况下，进行数据的搬运，它从某种意义上能够大大缓解处理器的运行负荷。对于我们这个设计，这个DMA组件完全是定制化的，咱自己用代码写，而功能也很专一，就是将CH376芯片的有效图片数据直接搬运到LCD控制器端进行缓存。如此一来，就不再需要上一个实例中那样让处理器读出CH376的图片数据，再写到LCD控制器端了。一般来说，这样一来通常是能够大大提升系统性能的。只不过，我们这个系统的速度瓶颈还是在于CH376的SD读写速度，所以和上一个实例相比，这个工程无法带来非常明显的性能提升。但是没有关系，我们的重点在于DMA组件的设计，希望大家能够focus到这个点上。

关于DMA，特权同学收录在《深入浅出玩转FPGA第二版》中的文章《DMA无处不在》，有较深入的介绍，大家不妨去看看。

10.12.2 DMA外设组件设计

在我们的系统中，DMA总线和周边各个组件的详细连接如图所示。连接到Avalon-MM总线作为从机，这条总线由片选信号、写选通信号（主机处理器写入）、16bit写数据总线、2bit地址总线和从机中断信号组成。这条总线不直接传输图片数据，而是用于处理器完成DMA组件的各个控制功能。如下表所示，Avalon-MM总线对应操作的4个寄存器功能。

地址	有效位	描述
0	Bit1-0	Bit1: dma_lcd_sel–该寄存器用于选择LCD图片数据传输是NIOS II方式（上一个实例的方式）还是DMA方式。为1时表示DMA方式，为0时表示NIOS II方式。 Bit0: dma_usb_sel–该寄存器用于选择CH376总线的控制是NIOS II方式还是DMA方式。为1时表示DMA方式，为0时表示NIOS II方式。
1	Bit13-0	dma_wraddr– DMA方式写数据到LCD控制器端的页地址寄存器，会自动递增。
2	Bit7-0	dma_dbnum–本次DMA传输数据字节数，取值可以是1-255。 irq_enable–在写该寄存器时，自动开启DMA的中断使能位。
3	Bit0	irq_enable–清除当前DMA中断使能位。

深入DMA组件内部，我们来看它的各个逻辑接口是如何设计的。如图所示，Avalon-MM从机接收到的各个控制信号相互协作，完成数据的收发中转。数据传输状态机在DMA功能启动并且DMA传输数据计数器的值不为零的情况下，将产生376并口总线时序读取当前的有效图片数据，并且产生后端FIFO（后端模块sdfifo_ctrl.v）写入数据所需的信号。而后端的FIFO在每满160个Byte后便产生一次SDRAM的页写操作，每次操作完成就会返回一个应答信号给我们的DMA组件，从而递增Avalon-MM总线可写入的页寄存器（地址1）。

另外，这里大家要注意，CH376的并口总线虽然在DMA操作时处于DMA控制状态，但并非所有的CH376指令都是由DMA组件产生，这些指令还是和上一个实例一样由NIOS II处理器产生，DMA组件只进行读数据的时序产生和控制。其实这是一个很典型的软硬件分工协同设计划分，把复杂的控制交给软件，把高重复性高速率要求的任务交给硬件来实现。

这里，我们还想对Avalon-MM从机的中断信号做一些扩展说明。如图所示，从机产生的interrupt信号可以是高电平有效（irq），也可以是低电平有效（irq_n）。如我们选择的是低电平有效，那么就意味着我们的这个中断信号在一般情况下都应该保持高电平，而一旦跳变为低电平后，保持若干时间则NIOS II处理器就能够检测到从机发送来的这个中断信号，若是这个中断信号在软件编程时使能了，并且进行了中断函数注册，那么此时NIOS II软件就会进入中断函数执行相应的处理。

对于从机而言，我们产生一个中断后，如果这个中断一直保持在低电平，不拉高，那么NIOS II处理器就会发生一些异常，可能会一直不断的进出中断函数，这是我们不想看到的。怎么办？好解决，正如我们这个组件中若对地址3写数据0x0，则关闭DMA组件的中断功能，那么久可以清除这个被拉低的中断信号，从而确保正常的软件继续工作。