2.5. Mikrocontroller-Komponenten

Transkript

1 2.5.6 DMA Für besonders schnellen Datentransfer können leistungsfähige Mikrocontroller Daten ohne Beteiligung des Prozessorkerns transportieren: DMA (Direct Memory Access) Ein DMA-Datentransfer kann stattfinden zwischen Speicher und Ein-/Ausgabeeinheiten Speicher und Speicher Ein-/Ausgabeeinheiten und Ein-/Ausgabeeinheiten Beispiel: Datentransfer zwischen AD-Wandler und Speicher 1

2 Ablauf eines DMA Transfers Prozessorkern Speicher 1. Phase: Initialisieren des DMA-Controllers mit Start- und Zieladresse, Anzahl der zu übetragenden Daten, etc. Ein-/ Ausgabeeinheit DMA- Controller Steuerbus Prozessorkern Speicher Ein-/ Ausgabeeinheit DMA- Controller 2. Phase: Datentransfer durch den DMA-Controller ohne Beteiligung des Prozessorkerns, der DMA-Controller übernimmt hierfür den Bus Steuerbus 2

3 Vorteile des DMA-Datentransfers: der Prozessorkern wird von der anspruchslosen Tätigkeit des Datentransfers entlasten er kann zeitgleich andere Tätigkeiten ausführen, sofern diese den Bus nicht benötigen Der Datentransfer durch spezialisierte Hardware ist schneller als durch Software 3

4 Datentransfer per Software: Programmschleife 1. Befehl zum Lesen des s holen 2. von der Quellkomponente in ein Register des Prozessorkerns lesen 3. Befehl zum Schreiben des s holen 4. vom Register in die Zielkomponente schreiben 5. Adressen erhöhen, Schleifenzähler erniedrigen 6. Sprungbefehl holen, wenn Schleifenzähler > 0 zum Schleifenanfang springen => 6 Schritte (bzw. Buszyklen) zum Transfer eines s 4

5 Datentransfer per Hardware: DMA-Controller Hochspezialisierte Einheit, deren einziger Zweck Datentransfer ist Zwei Betriebsarten: Fly-By-Transfer Datentransfer in nur einem Buszyklus von der Quelle zum Ziel (nicht bei Speicher-zu- Speicher-Transfer möglich) Two-Cycle-Transfer Datentransfer in zwei Buszyklen. Erster Zyklus: Lesen des s von der Quelle -> Register des DMA-Controllers Zweiter Zyklus: Schreiben des s aus dem Register in das Ziel 5

6 Aufbau eines DMA-Controllers: Datenregister Steuer- /Statusregister Startwertregister Startwertregister Startwertregister vom/zum Prozessorkern Schreiben, Lesen Fertig Datenzähler Zieladresszähler Quelladresszähler Unterbrechung (INT, IACK) DMA-Anford. (DREQ, DACK) Busanforderung (BREQ, BGNT) Datensteuersignale (AS, RW, MIO) Steuerung Zählmodus Auswahl, Busfreigabe Multiplexer 6

7 DMA-Transferarten: Einzeltransfer (Single Transfer) DREQ BREQ BGNT DACK Quelladresse Zieladresse Quelladresse Zieladresse DMA Controller besitzt Bus Prozessorkern besitzt Bus DMA Controller besitzt Bus Bus wird immer wieder freigegeben, dem Prozessorkern werden nur einzelne Buszyklen entzogen (Cycle Stealing) 7

8 DMA-Transferarten: Blocktransfer (Block Transfer) DREQ BREQ BGNT DACK Quelladresse Zieladresse Quelladresse Zieladresse Quelladresse Zieladresse Quelladresse DMA Controller besitzt Bus Bus wird für die gesamte Dauer des Transfers belegt 8

9 DMA-Transferarten: Transfer auf Anforderung (Demand Transfer) DREQ BREQ BGNT DACK Quelladresse Zieladresse Quelladresse Zieladresse Quelladresse DMA Controller besitzt Bus Prozessorkern besitzt Bus DMA Contr. bes. Bus Bus wird in Schüben belegt, gesteuert von der anfordernden Einheit (Burst Transfer) 9

10 Ein Mikrocontroller besitzt meist mehrere Kanäle zum DMA- Datentransfer => DMA-Controller-Kanäle oder DMA-Kanäle Die Zuordnung dieser Kanäle zu den EA-Einheiten des Mikrocontrollers kann fest oder flexibel sein Je mehr Kanäle vorhanden sind, desto mehr Transfers können vorbereitet und auf ein einfaches Signal aktiviert werden 10

11 2.5.7 Erweiterungsbus Ermöglicht den Anschluss externer Komponenten Funktionalität des Mikrocontrollers kann erweitert werden Bessere Skalierung auf eine Anwendung möglich aber: erhöhter Hardware-Aufwand 11

12 Anbindung eines einfachen Erweiterungsbusses: Herausführen des internen Busses interner AS Adressdecoder Prozessorkern MIO RW EA-Select Speicher- Select... Erweiterungsbus- Select interner Ein-/Ausgabeeinheiten Speicher... Treiber Erweiterungsbus externer Steuerbus externer externer Mikrocontroller 12

13 Erweiterung der Adressdecodierung integriert die externen Komponenten in den Adressraum des Mikrocontrollers EA-Adressraum Speicheradressraum 0 interne EA 0 interner Speicher max. EA-Adresse externe EA externer Speicher max. Speicheradresse 13

14 Hauptproblem: 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Einsparung von Leitungen zur Reduktion der Anzahl externer Anschlüsse Lösungsmöglichkeit: Daten-Multiplexing interner n Bit DH DL Register Register n/2 Bit n/2 Bit Multiplexer externer n/2 Bit interner externer interner Datentransfer Adresse externer Datentransfer Adresse DL DH z.b. 16 Bit interner und 8 Bit externer 14

15 Lösungsmöglichkeit: Daten/Adress-Multiplexing interner n Bit interner n Bit Register Register Multiplexer externer Daten/ n Bit interner interner externer Daten/ interner Datentransfer Adresse externer Datentransfer Adresse Adresse 15

16 Das Multiplexen halbiert zunächst auch die maximalen Datenraten am Bus. Abhilfe: Burst-Transfers externer Daten/ Adresse 1 1 Adresse 2 2 Adresse 3 3 Adresse 4... a) normaler gemultiplexterdatentransfer externer Daten/ Adresse b) Burst-Transfer Erreicht nahezu die Datenraten des nichtgemultiplexten Busses 16

17 Lösungsmöglichkeit: Skalierung des Adressraums Mikrocontroller A 15 / Digital-Analog 2 A 14 / Analog-Digital 2 A 13 / Digital-Analog 1 A 12 / Analog-Digital 1 A 11 / Seriell Aus 2 A 10 / Seriell Ein 2 A 9 / Seriell Aus 1 A 8 / Seriell Ein 1 AD 7 AD 6 AD 5 AD 4 AD 3 AD 2 AD 1 AD K 4K 16K Kernadressraum Erweiterung 1 Erweiterung 2 Erweiterung 3 Erweiterung 4 voller Adressraum 64K Externer Adressraum 17