CN1647055A

CN1647055A - 虚拟直接存储器存取的方法和装置

Info

Publication number: CN1647055A
Application number: CNA038076969A
Authority: CN
Inventors: 让·卡斯特雷斯; 弗雷德里克·里萨切尔
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: TW200400437A; CN100367255C; JP2005519393A; EP1341092A1; WO2003075167A1; AU2003218666A1; TWI287709B; KR20040101260A

Abstract

一种在无线蜂窝电话处理系统(100)中用于虚拟DMA的方法和装置，该系统具有第一和第二处理器(120，140)，多个模块(130，150)和存储器，该装置包括：虚拟DMA通道装置(110)，提供优先化虚拟DMA通道和提供从虚拟DMA通道装置到处理器的中断，该中断提供虚拟DMA通道的同步；回叫函数装置(400)，该回叫函数装置被中断调用以提供中断服务程序来执行同步的虚拟DMA存取。本发明方便地提供了：一种技术，将接收事件时完成的“行为”或进程分成一函数；一种方法，通知系统哪个行为函数在接收到该事件时被调用；一种方法，在系统运行时改变行为函数；一种技术，其独立于硬件，因为回叫函数的附加/分离过程(430/440)可以适用于大多数现存异常硬件设计；一种方法，因为由应用的事件行为而得到的时间增加，在应用级上重新访问同步配置。

Description

虚拟直接存储器存取的方法和装置

技术领域

本发明涉及直接存储器存取(DMA)，尤其是可以在软件中执行的DMA。

背景技术

众所周知，在本发明领域内，具有处理器和分布式模块的系统中，DMA通常通过一个或多个DMA通道使用中断驱动的方法在硬件中执行，使得系统存储器可以无需处理器的干预而直接由模块来存取。

同样众所周知，在DMA中最小化中断的等待时间是理想的，尤其在某些应用中。比如，在美国专利5,644,784中，公开了一种方法，通过为所有的中断服务请求使用基本地址加源于所接收中断的优先级的偏移，使用软硬件的装置来最小化中断的等待时间。然后，该专利建议使用中断优先号来实现可变的保留存储空间以保存中断服务程序(ISR)。但是，该方法的缺点在于：限制了优先级并受“中断服务点”寄存器大小的制约。

同样众所周知，在使用DMA的系统中，需要考虑对由DMA通道在执行DMA存取时产生的同步事件保证满意的处理。

因此，需要一种能减轻上述缺点的用于虚拟直接存储器存取(DMA)的方法和装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种如权利要求1所述的用于虚拟直接存储器存取(DMA)的方法。

根据本发明的第二方面，提供一种如权利要求9所述的用于虚拟直接存储器存取(DMA)的装置。

优选地，该方法和装置包括附加回叫函数的部件和分离回叫函数的部件，这些部件可以在系统使用时运行，由此，回叫函数部件的功能可以在系统使用时改变。

这样提供了一种最大化响应时间效率的软件算法和方法，该响应是响应在“主机”处理器上运行应用程序时触发的虚拟DMA事件。

这方便地提供了：

一种技术，将接收事件时完成的“行为”或处理分成函数；

一种方法，通知系统哪个行为函数在接收到该事件时被调用；

一种方法，在系统运行时改变行为函数；

一种技术，其独立于硬件，因为回叫函数的附加/分离过程可以适用于大多数异常硬件设计；

一种方法，因为由应用程序的事件行为而得到的时间增加，在应用级上重新访问同步配置。

附图说明

现在描述体现本发明的用于直接存储器存取(DMA)通道同步的装置和方法。

图1表示“虚拟”DMA配置的方框图；

图2表示在图1的DMA配置中使用的普通回叫函数机制的方框图；

图3表示在图1的配置中使用虚拟DMA中断的方框图；

图4表示“附加”和“分离”函数的方框图，这两个函数用于在图1的DMA配置中使用的回叫中断服务程序；

图5表示图1的配置中硬件—软件交互的方框图；

图6表示“自动向量”(auto-vectoring)的示意图，其具有多装置源和可以在图1的DMA配置中使用的或操作的(OR-ed)DMA信道；

图7表示“向量”(vectoring)的示意图，其具有可以在图1的DMA配置中使用的或操作的(OR-ed)DMA信道；

图8表示“向量”的方框图，其具有虚拟DMA通道和可以在图1的DMA配置中使用的专用中断线；和

图9表示图1的DMA配置在轮询情况下的性能优势。

具体实施方式

在现代数字移动电话中，在空中接口上发送或接收的数据需要复杂的处理，该处理依据由标准委员会(比如欧洲的欧洲电信标准协会(ETSI))为全球数字移动通信系统(GSM)定义的专用算法而进行。

该数字信号处理的步骤通常由基带处理器集成电路(IC)来进行。该处理器执行的代码可以被分成两类程序：一类是“控制和协议”，另一类是“数字信号处理”。

这两类都具有不同的特征。“控制和协议”代码不常执行；它对处理器时间的高利用率并没有作用，但是它占用了大量的存储空间(对程序存储大小的作用很大)。另一类的数字信号处理类，占用处理器的大部分时间，但是因为其代码常常可被优化为小循环，所以它只占用很小的可用存储空间。

在蜂窝设备内部，基带IC包含微处理器，负责两类程序的运行。新兴的第三代蜂窝装置被预计可以处理更复杂的应用程序，比如这样的程序，虽不直接相关于通信，但是直接相关于依靠空中接口通信的服务(即因特网，预约服务等等)。这些应用需要与通信软件层并存。

近来基带结构上的发展已表明，使用数字信号处理器(DSP)来处理信号处理类软件和使用微控制单元(MCU)来处理控制和协议类软件，这是设计蜂窝系统的一个非常有效的方法，尽管这两个处理器之间的通信和同步已成为一个有待调试和完成的困难和乏味的任务。

图1表示用于本发明使用的第三代无线系统的基带结构100。它使用了内部处理器通信模块(IPCM)110，该模块提供了微RISC处理器结构，专用于处理系统中不同元件或模块(如DSP内核120，相关DSP外围130，MCU内核140和相关外围150)之间的虚拟DMA通道。

以下将详细描述，本发明(这里考虑优选实施方案)基于软件算法，该软件算法开发通过虚拟DMA通道来解决虚拟(比如，在软件中执行)DMA同步问题。该软件算法允许MCU内核和/或DSP上运行的应用软件在最短的时间内(最小的周期数)响应于由IPCM虚拟DMA通道之一所产生的事件。

现在看附图2和3，软件算法使用回叫函数来处理由虚拟DMA通道引发的异常。

该软件算法可看成组合三个元素的结果：

1.具有优先的虚拟DMA通道的虚拟DMA通道引擎(在本发明中是IPCM 110，但是也可用替代的虚拟DMA通道引擎)，

2.虚拟DMA通道的中断同步，比如，MCU和DSP接收源于虚拟DMA引擎并作为同步方式的中断能力(这能导致MCU和DSP上的异类中断处理方法)，和

3.作为ISR机制使用的回叫函数机制，其使用解决了上面所述的异类中断处理方法。

下面将详细描述组成算法的三种元素；

回叫函数机制常在图形用户界面(GUI)上使用以处理人和图形环境(如：开放源的“X窗口”)的相互作用。该回叫函数是在初始化时间附加在事件上的函数指针；当事件发生时，事件处理器调用函数，“回叫函数”的名称就由此而得。

如图2所示，在本实施例中，回叫函数机制200由配置阶段来实施，该阶段包括(i)运行初始化代码(步骤210)，接着(ii)在表中注册回叫函数(步骤220)，然后(iii)事件使能(步骤230)。接着可以输入应用主功能循环(步骤240)。当事件被触发时，接收触发事件，并在上述步骤(ii)的配置表中参考回叫函数(步骤250)。然后执行回叫函数(步骤260)，随后该机制等待下一个事件触发。

当使用直接存储器存取(DMA)装置时，DMA装置通过给控制处理器发送中断来通知事件的发生。该处理器通过调用中断处理程序来响应事件的接收，该中断处理程序执行给定中断的优先次序区分和分类(这常常是在硬件中进行)。然后，该处理程序调用中断服务程序(ISR)，ISR负责对接收的特定中断事件采取行为。

图1的DMA框图使用回叫函数机制来实施中断服务程序(ISR)，使其有效地回叫中断服务程序(回叫ISR)。

虚拟DMA事件的行为如下实施。如图3所示，异常(160和170)从虚拟DMA装置IPCM 110产生到DSP内核120和/或MCU内核140。

接着调用每个内核的异常处理程序来处理异常。内核的异常处理程序跳到回叫函数的地址。回叫函数中包括了针对这些异常所执行的行为或进程。

现在参考图4，回叫函数表400的初始化在使能与虚拟DMA装置相关的异常之前，在内核的“引导程序”阶段进行。初始化引导程序只是填充了函数指针列表420，该列表定义了在接收到特定中断事件410时应该调用哪个函数。当表400完成后，引导函数终止，开始控制应用程序。应用程序最终会被中断；中断事件会由调用回叫中断服务程序机制的异常硬件(未示出)来处理。

下面将实施初始化，改变和取消行为。初始化代码的行为叫做附加回叫ISR，该代码定义系统在接收中断事件时要调用的函数地址。附加过程可看作是系统支持库(未示出)提供的基本(atomic)行为，无需更细描述。

同样，基本的(atomic)分离行为是从系统的回叫ISR表中注销回叫函数地址的行为。与附加行为相似，分离行为(440)也是系统支持库中的一部分。

对附加和分离函数的同时支持使得系统在启动和运行时也可以改变回叫ISR。系统对附加/分离函数的支持包括在改变回叫ISR在表400中的地址时使能/禁止中断事件。

为了保持系统完整性，必须提供默认的中断服务程序，这就是没有提供回叫ISR的时间，或者在这时间内应用程序想改变现有的回叫ISR。该默认ISR也可以是用户提供的回叫ISR。

可以理解，本发明在很多硬件配置中可以应用。最新的第三代无线蜂窝电话结构嵌入了多种不同处理器内核，每个内核都具有不同的方式来处理中断，或者(更通常的说是)处理异常的情况。虚拟DMA装置110因此可以和两个具有不同中断处理方式的内核比如120和140“交谈”。在内核结构中提供中断优先权确定(快速或普通中断)，该由中断控制器提供的服务允许第一级处理程序来确定中断号。算法依靠中断控制器提供的信息而完全在软件中实施，其响应速度和硬件建立优先级并跳过异常向量表的速度一样快。

图5表示结构100的硬件/软件的相互作用。硬件支持的函数和软件支持的函数之间的边界可以变化，如图中所示的虚线，可以在500A或500B。硬件内核优先级结构510的输出连到异常向量表520，表520的输出连到用户ISR的第一控制530。在中断控制器550的控制下读540中断号。如果需要，可以切换560中断类型。虚拟DMA通道中断570被用来在回叫ISR表中作为中断号580的索引。可看出，函数510，520和550在硬件中实施，函数570和580在软件中执行，函数530，540和560可以在硬件或软件中执行。

本发明可以利用不同的方法，其中底层的硬件能迅速配置到中断源。虚线500A/500B表明两种水平的硬件支持的区别。

图6，7和8具体实施了100在不同硬件支持水平下的结构：图6表示使用自动向量(autovectored)中断，其中来自虚拟DMA装置的中断和其他设备混合，所有虚拟DMA通道中断事件是一起或操作的(OR-ed)；图7表示使用向量中断，它强调取消确定中断源装置的决定阶段；图8表示所用虚拟DMA通道都直接连接到处理器的中断线上的情况。

现在参考图6，对于使用具有多装置源和或操作的通道的自动向量中断，其步骤如下：

●开始在处理器内核(MCU或DSP)上运行的应用程序(步骤610)，

●中断事件由IPCM触发并由处理内核接收(步骤620)，

●调用中断处理程序并开始执行(步骤630)，

●中断优先级算法(步骤640)确定其是虚拟DMA异常事件，需要在所有连接到同样的中断线的装置中处理(步骤650)，

●访问IPCM的中断寄存器得到中断号，该号相应于中断事件发生于其上的虚拟DMA通道(步骤660)，

●该中断号被用来索引回叫函数表以得到需调用的回叫函数的地址，使用信道号作为系统回叫ISR表的索引使得可以更快实现跳转(步骤670)，

●执行跳转到回叫函数地址，控制回叫中断服务程序(步骤680)，

●执行ISR后(步骤690)，控制回到应用程序(步骤695)。

现在参考图7，如果硬件支持向量中断，不再需要源装置确定(图6中的步骤640和650)。这时，不用图6中的步骤630，中断处理程序被引导直接跳到合适的虚拟DMA事件(步骤700)。

附加/分离程序保持回叫ISR函数的方式与图6中相同。

现在参考图8，如果所有的虚拟DMA事件都可以连线到它们各自的专用中断线，并且内核支持向量中断，对虚拟DMA装置的中断寄存器的读取(图7中的步骤660和670)也可以取消。这时，不用图7中的步骤700，中断处理程序被引导来识别适当的虚拟DMA事件(步骤800)。

在这点的附加程序只需要将回叫ISR函数的地址写到中断向量表中。这种结构选择是最快的，但是因为每个虚拟DMA通道都需要各自的中断线，所以这种结构也需要过多的中断线。

可以理解，在上述的虚拟DMA结构中，因为可以附加回叫函数到事件上，因此在应用层面上提供了同步机制：一开始中断，应用程序就有效地调用行为函数。

复杂的应用具有状态机，以表示它们的内部状态。如虚拟DMA事件改变内部状态但是还没有采取行动，它规定：ISR只是记录发生的事件。上述的虚拟DMA结构可以消除同步：不用更新或转换状态机中的状态，回叫ISR本身就是行为(比如，读UART缓冲器并采取行为)，并且因为到达行为的引导时间减少了，采取行为的事件可以足够短以达到应用程序的截止时间。

可以理解，上述的虚拟DMA结构相对于现有技术具有大量的优点。为了对比上述的虚拟DMA结构和其他可能的技术，下面将详细描述一般的轮询机制。所研究的例子强调了上述的虚拟DMA结构改进了当事件触发时到达正确的ISR的时间。也可以改变硬件支持，从而影响所开发的算法。

在图9所示的流程中，可以选择使在中断服务程序(ISR)中花费的时间最小：ISR仅仅记录虚拟DMA通道发送了哪个中断。这意味着根据应用程序来将3个要素同步化：

1.检测或“接收”中断，

2.对中断时间处理或采取行为，

3.确认检测并“理解”中断的发送装置。

该同步过程可以用各种方式来处理，在图9的流程图中用两个循环表示，该循环表示应用程序何时想等待特定的事件(上循环)，或者何时知道必须确定接收到什么中断以及针对该中断应该采取什么行为(ISR)。

该技术被称作轮询是因为在一些点上，应用程序会访问变量和/或寄存器以确定中断是否已经到达：它轮询了该变量。

如图9所示，各步骤详细描述如下：

●开始在处理器内核(MCU或DSP)上运行的应用程序(步骤910)，

●应用程序在接收到事件时采取行为(步骤920)，

●中断事件由IPCM触发并由处理内核接收(步骤930)，

●调用中断处理程序并开始执行(步骤940)，

●中断优先级算法确定其是需要处理的虚拟DMA异常事件，(步骤940和950)，

●访问IPCM的中断寄存器得到中断号(该号相应于中断事件发生于其上的虚拟DMA通道的号，步骤970)，

●复制到可由程序其他部分访问的统计分配的全局状态变量(步骤980)，

然后控制回到应用程序。依靠该同步算法，在该点上，应用程序首先检测到事件发生并决定跳到适当的中断服务程序(ISR)的地址。注意，这里的术语“应用程序”可以包括现今的现代系统中用户的操作系统程序。

所示的轮询机制强调以下事实：恢复控制并等到接收到异常(步骤990)，这取决于低级控制循环，通常是操作系统(OS)循环，

ISR在接收到中断事件时采取行为(步骤992)，

控制回到可能执行归零的应用程序(步骤995)。

虽然这无疑是轮询机制的一个普通的例子，但它表示了在轮询机制下面根本的概念，即程序等待状态位出现在变量或者寄存器中。重要的是，考虑了同步步骤：检测、处理(采取行为)和确认。注意，这个例子并没有解释中断确认应该放在哪里：

●在复制到全局变量之后，但是行为将不再执行，或者

●在ISR末端但是对中断事件的发送者IPCM的等待时间很长。

上述轮询例子使要强调的ISR的中断驱动回叫函数机制的优点成为可能：

●待执行的行为(ISR)在初始化时间附加到事件上：这样应用在运行确定是否和何时应该处理事件(没有附加的检测)时没有时间浪费。这使得操作系统不会在等待事件上浪费时间，并且具有不同结构的任务设置。

●对事件发送者的确认可以在ISR内部执行而具有最少的附加操作，该确认确定采取了行为并且没有错过中断事件。

●因为只包括中断优先级的确定算法，控制可以回到应用程序而具有最少的附加操作(跳过去并跳回来)。ISR被减少到只采取行为(或处理)，这对应用程序的高水平运行具有意义。

可以理解，虚拟DMA结构的性能和成本可以如下描述。由于上述的虚拟DMA结构对异常处理使用软件算法，可以从性能和费用考虑。性能可以由系统在控制到达对接收事件处理之前所需要的循环数来评价。上述的虚拟DMA结构提出了到达该点的非常有效的方法，因为所跳向的函数(即回叫ISR)的地址在内核初始化时间被记录在回叫表中。在应用程序运行期间，时间是硬件需要执行的跳跃指令的最小时间。

费用可以作为所取得的最好性能的结果来评估。费用与运行在如图1所示的结构上的应用程序类型相关：定位于实时数字信号处理的任务。在异常处理中需要的循环数目的增加促进了整个系统响应事件的能力。这使得软件结构能更好地设计并分割其任务，导致系统级别的循环增加。该循环增加可能减小整体时钟速率并/或更快进入节能模式，这样节省了电池寿命。因此增加了消费者可见的产品性能特征。

总之，因此可以理解，上述的用于虚拟DMA的方法提供了事件的快速响应时间，以及两个或更多个处理器之间的同步。

Claims

1.一种在系统中用于虚拟直接存储器存取(DMA)的方法，所述系统具有至少第一处理器，多个模块和存储器，所述方法包括：

提供具有优先化虚拟DMA通道的虚拟DMA通道装置；

提供从虚拟DMA通道装置到处理器的中断，所述中断提供虚拟DMA通道的同步；和

提供回叫函数装置，所述回叫函数装置被中断调用以提供中断服务程序来执行虚拟DMA存取。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

提供用于附加回叫函数到回叫函数装置的装置；和

提供用于从回叫函数装置分离回叫函数的装置。

3.如权利要求2所述的方法，其中，用于附加回叫函数的装置和用于分离回叫函数的装置被安排来在系统使用时运行，从而使回叫函数装置的功能可以在系统使用时改变。

4.如上述任一权利要求所述的方法，其中，所述中断是自动向量方式的。

5.如权利要求1-3中任一个所述的方法，其中，所述中断是向量方式的。

6.如权利要求1-3中任一个所述的方法，其中，所述虚拟DMA通道直接连接到处理器中断线。

7.如上述任一权利要求所述的方法，其中，所述系统还包括第二处理器，第一处理器是用于处理信号处理类软件的数字信号处理器，第二处理器是用于处理控制和协议类软件的微控制器单元。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述系统是无线蜂窝电话处理系统。

9.一种用于在系统中虚拟直接存储器存取(DMA)的装置，所述系统具有至少第一处理器，多个模块和存储器，所述装置包括：

提供优先化虚拟DMA通道和提供从虚拟DMA通道装置到处理器的中断的虚拟DMA通道装置，所述中断提供虚拟DMA通道的同步；和

回叫函数装置，所述回叫函数装置被中断调用以提供中断服务程序来执行虚拟DMA存取。

10.如权利要求9所述的装置，还包括：

附加回叫函数到回叫函数装置的装置；和

从回叫函数装置分离回叫函数的装置。

11.如权利要求10所述的装置，其中，用于附加回叫函数的装置和用于分离回叫函数的装置被安排来在系统使用时运行，从而使回叫函数装置的功能可以在系统使用时改变。

12.如权利要求9-11中任一个所述的装置，其中，所述中断是自动向量方式的。

13.如权利要求9-11中任一个所述的装置，其中，所述中断是向量方式的。

14.如权利要求9-11中任一个所述的装置，其中，所述虚拟DMA通道直接连接到处理器中断线。

15.如权利要求9-11中任一个所述的装置，其中，所述系统还包括第二处理器，第一处理器是用于处理信号处理类软件的数字信号处理器，第二处理器是用于处理控制和协议类软件的微控制器单元。

16.如权利要求15所述的装置，其中，所述系统是无线蜂窝电话处理系统。