CN103455457A - 用于系统的硬件设备、系统和存储器访问方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于系统（1）的硬件设备（20），一种系统（1）和一种存储器访方法。硬件设备（20）包括用于将硬件设备（20）与系统总线（30）连接的接口（24），该硬件设备（20）借助该系统总线（30）能够与系统（1）的中央控制单元（11）和/或系统（1）的另外的硬件设备通信；以及直接存储器访问装置（22），用于直接访问中央控制单元（11）的工作存储器（12），其中直接存储器访问装置（22）还被构建为，当直接存储器访问装置（22）结束对系统（1）的工作存储器（12）的直接访问时，在用于数据流控制的工作存储器（12）中设置标志（14；15）。

Description

用于系统的硬件设备、系统和存储器访问方法

技术领域

本发明涉及一种用于系统的硬件设备、一种系统和一种存储器访问方法。

背景技术

计算机形式的系统通常拥有中央控制单元（CPU=Central Processing Unit），该中央控制单元可以访问工作存储器。该中央控制单元连接到系统总线（譬如PCI总线（PCI=Peripheral Component Interconnect（外围部件互连））、PCI-X总线、PCIe总线（PCI-Express总线）等）并且通过该总线系统与计算机的其他硬件设备连接。这样的硬件设备例如是集成电路，该集成电路尤其可以是在应用现场可编程门阵列（FPGA=Field-Programmable Gate Array）。如果硬件设备能够做主机，由此其本身可以控制其他设备或装置，则硬件设备通过直接的存储器访问或直接存储器访问（DMA=Direct Memory Access）尤其是以数据包形式独立地发送和接收数据，而在此情况下无需使用中央控制单元。由此，减轻了中央控制单元在计算机中进行数据流控制的负荷。

按标准，数据流控制通过读出硬件设备譬如应用现场可编程门阵列（FPGA）中的状态寄存器来实现。为此，在系统总线上需要读取循环。然而，这样的在系统总线上的读取循环持续极长。在此情况下，在读取循环的时间中，中央控制单元被暂停。由此，浪费了原本为中央控制单元所支配的宝贵计算时间。

在现有技术中中央控制单元的时间负荷据此来计算：在总线上的单读取循环视系统部件而在0.6μs与1μs之间。该时间还可以明显更长，因为如果该总线通过具有最大等待时间（等待时间计数器（Latencycounter）→255*30μs）的连续直接存储器访问占用，则在PCI总线中在最坏情况下单次访问甚至还可以延长达到7.6μs。

DE 38 30 723 A1描述了一种用于对连接到系统总线上的计算机的工作存储器进行直接存储器访问（DMA）的装置。

此外，已知的是，借助中断请求（Interrupt Requests）进行数据流控制。然而，这种解决方案并非在任何系统或计算机中都可行或合理。此外，由于这种解决方案还浪费了更多计算能力。另一问题在于，通常也没有足够足自由的中断线（Interrupt Leitung）备用。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于系统的硬件设备、一种系统和一种存储器访问方法，利用其可以解决上述问题。尤其是，要提供用于系统的硬件设备、系统和存储器访问方法，其中减轻中央控制单元（CPU）在数据流控制中的负荷。

该任务通过根据权利要求1所述的用于系统的硬件设备来解决。该硬件设备包括用于将硬件设备与系统总线连接的接口，该硬件设备可以借助该系统总线与该系统的中央控制单元和/或该系统的其他硬件设备通信；和用于直接访问该中央控制单元的工作存储器的直接存储器访问装置，其中直接存储器访问设备还被构建为，在直接存储器访问设备已结束对该系统的工作存储器的直接访问时在用于数据流控制的工作存储器中设置标志。

利用所描述的硬件设备，数据流控制不再需要该中央控制单元（CPU）访问总线。由此利用所描述的硬件设备使得该中央控制单元的时间负荷极大减轻，因为在工作存储器中的读取访问视系统仅持续20μs到100μs之间，其中该工作存储器可以是自由访问的同步动态存储器（SDRAM=Synchronous Dynamic Random Access Memory）。

硬件设备的其他有利的扩展方案在从属权利要求中予以说明。

直接存储器访问装置优选被构建为单独针对每个直接存储器访问通道设置标志。

优选地，硬件设备是能做主机的硬件设备。

此外，该任务通过根据权利要求4所述的系统来解决。该系统包括用于控制系统的中央控制单元、配设给该中央控制单元的用于存储在控制该系统时可使用的数据的工作存储器和至少一个硬件设备，所述硬件设备与该中央控制单元经由系统总线连接并且可以被构建为直接访问配设给该中央控制单元的工作存储器，其中该中央控制单元为了工作存储器的数据流控制而读出工作存储器的标志。

该系统实现了如之前围绕硬件设备所述的优点。

该系统的其他有利扩展方案在从属权利要求中予以说明。

此外，该中央控制单元可能被构建为，当该中央控制单元已读出和/或处理在工作存储器中的相关数据时将工作存储器的标志复位。

该中央控制单元还可以被构建为检查工作存储器的标志的复位，以便检查由至少一个硬件设备实施的对工作存储器的数据的循环更新。

此外，该任务通过根据权利要求7所述的存储器访问方法来解决。该存储器访问方法包括如下步骤：借助系统的硬件设备直接访问工作存储器，该工作存储器配设给系统的中央控制单元，该硬件设备经由系统总线与中央控制单元连接，以及在直接访问步骤结束时利用硬件设备设置用于数据流控制的工作存储器中的标志。

该存储器访问方法实现了如之前围绕硬件设备所述的优点。

存储器访问方法的其他有利扩展方案在从属权利要求中予以说明。

此外，该存储器访问方法可以包括步骤：利用中央控制单元读出用于数据流控制的工作存储器的标志。

此外，存储器访问方法可以包括步骤：当该中央控制单元已读出和/或处理工作存储器中的相关数据，则利用该中央控制单元将工作存储器的标志复位。

此外，该存储器访问方法可以包括步骤：利用该中央控制单元检查工作存储器的标志，以便检查由至少一个硬件设备实施的对工作存储器的数据的循环更新，以及利用该中央控制单元将工作存储器的标志复位。

本发明的其他可能的实施也包括未明确所述的之前和以下围绕实施例所描述的特征或实施形式的组合。在此，本领域技术人员也可以将各方面作为改进方案或补充方案添加成本发明的相应基本形式。

附图说明

以下参照所附的附图和借助实施例更为详细地描述了本发明。其中：

图1示出了带有根据第一实施例的硬件设备的系统的示意性框图；

图2示出了用于对根据第一实施例的硬件设备进行直接存储器访问的接收-控制块的示意性框图；

图3示出了用于对根据第一实施例的硬件设备进行直接存储器访问的发送-控制块的示意性框图；

图4示出了根据第一实施例的存储器访问方法的流程图，该存储器访问方法由硬件设备实施；

图5示出了根据第一实施例的存储器访问方法的一部分的流程图，该存储器访问方法由中央控制设备实施；以及

图6示出了根据第二实施例的存储器访问方法的一部分的流程图，该存储器访问方法由中央控制设备实施。

具体实施方式

在图中，相同或功能相同的元件只要未言明不同则设置有相同的附图标记。

图1示出了系统1，该系统1尤其可以是计算机。该系统1具有控制设备10和硬件设备20，它们可以通过系统总线30彼此通信。控制设备10和硬件设备20分别利用连接线路31连接到系统总线30上。

硬件设备20例如是集成电路，该集成电路尤其可以是应用现场可编程门阵列（FPGA=Field-Programmalbe-Gate-Array（现场可编程门阵列））。尤其是，硬件设备20可以具有Sercos III功能，其中于是该系统1优选也辅助该功能。

该系统总线30可以是计算机总线并且例如是PCI总线、PCIe总线、PCI-X总线等等（PCI=Peripheral Component Interconnect（外围部件互连））。硬件设备20可以是任意能做主机的PCI用户、能做主机的PCIe用户等等。

在图1中，该控制设备10具有中央控制单元11和工作存储器12，它们可以通过总线13彼此通信。总线13尤其是前端总线（FSB=Front Side Bus）。工作存储器12因此配设有中央控制单元11。工作存储器12例如是自由选择访问的存储器（RAM=Random Access Memory（随机存储器））、尤其是自由访问的动态存储器（DRAM=Dynamic Random Access Memory（动态随机存储器））。工作存储器12具有存储器区域121、122、…、12n，这些存储器区域也可以称作缓冲器1、缓冲器2、…、缓冲器n。至少一个第一标志14和至少一个第二标志15可以作为直接存储器访问（DMA）的就绪标志（bereitkennung）写入工作存储器12中。这随后还会更为详细地予以描述。

另外在图1中，硬件设备20具有应用部件21，其具有直接存储器访问装置22，该直接存储器访问装置实施为直接访问控制逻辑部件，其也可以称作DMA控制逻辑装置。此外，硬件设备20也具有存储器装置23、该存储器装置也可以称作DPM部件23（DPM=Dual Port Memory（双端口存储器）），在该存储器装置23中存储有硬件设备20的数据。硬件设备20通过接口23与连接线路31和因此系统总线30并且所有连接到系统总线30上的其他设备连接。在图1中，没有示出这样的其他设备。

此外，图1中的硬件设备20具有多个直接存储器访问通道（DMA-通道），所述直接存储器访问通道借助接收DMA控制部件25和发送DMA控制部件26来实现。接收DMA控制部件25也称作RX-DMA控制部件25并且具有第一接收控制块251、第二接收控制块252、…和第n接收控制块25n，它们也可以称作Rx-DMA控制块1、RX-DMA控制块2、…和RX-DMA-控制块n。发送DMA控制部件26也可以称为TX-DMA控制部件26并且具有第一发送控制块261、第二发送控制块262、…和第n发送控制块26n，它们也可以称作TX-DMA控制块1、TX-DMA控制块2、…和TX-DMA控制块n。

接收控制块251至25n分别是DMA-接收通道，硬件设备20借助DMA接收通道可以通过直接存储器访问接收来自工作存储器12的数据或者可以从工作存储器12读取数据。在此情况下，来自工作存储器12的数据被写入存储器装置23中。发送控制块261至26n分别表示DMA发送通道，借助该DMA发送通道可以通过直接存储器访问将来自存储器装置23的数据发送给工作存储器12或可以将数据写入工作存储器12中。借助直接存储器访问请求同时激活接收控制块251至25n和/或发送控制块261至26n中的多个。直接存储器访问装置22按顺序执行完直接存储器访问请求。也可以可分优先次序地处理完DMA请求。

在图1中，直接存储器访问装置22还配设有DMA请求触发器221、控制设备-DMA-启动寄存器222和EN-硬件设备-RX/TX寄存器223。

直接存储器访问装置22扫描部件25、26，这在图1中通过箭头225表示。扫描225按照节拍226来实施，该节拍在时间上控制DMA请求触发器221。结果，相应接收控制块251、252、…、25n之一的将来自工作存储器12的相应存储器区域121、122、…、12n的数据按照（通过箭头271表示的）确定的源地址传送至存储器装置23的目标地址272。或者，发送控制块261、262、…、26n之一将在工作存储器12中的数据从存储器装置23的相应源地址281传送至目标地址282。

硬件设备20的接收直接存储器访问（RX-直接存储器访问）可以通过控制设备DMA启动寄存器222从控制设备10来触发。此外，通过控制设备DMA启动寄存器222可以从控制设备10来触发发送直接存储器访问（TX直接存储器访问）。

EN硬件设备RX/TX寄存器223包括EN硬件设备RX寄存器和EN硬件设备TX寄存器。当在EN硬件设备RX/TX寄存器223中为此相应地设置相关的位时，硬件设备20可以独立地触发直接存储器访问。

在图1中，寄存器223的输出40和直接存储器访问设备22的事件41通道与门224引导。与门224的输出42与寄存器222的输出43一起输送给DMA请求触发器221。DMA请求触发器221的输出44作为直接存储器访问状态（DMA状态）输送给直接存储器访问装置22。应用部件21可以通过连接45实施对存储器装置23的访问。

图2作为例子示出了接收控制块252的结构，即通向工作存储器12的用于接收硬件设备20的数据的直接访问通道。接收控制块252包括接收通道252.1和三个地址指针，接收数据目标地址252.2、接收数据源地址252.3和接收标志目标地址252.4。

接收长度252.1说明了在工作存储器12与存储器装置23之间要传输的数据的长度，尤其是多个位。地址指针（接收目标地址252.2）说明了存储器装置23中的数据的目标地址。地址指针（接收数据源地址252.3）说明了在工作存储器12中的数据的源地址。地址指针（接收标志目标地址252.4）说明工作存储器12中的第二标志15的目标地址。第二标志15在此情况下说明了，是否已对工作存储器12进行接收直接存储器访问并且接收直接存储器访问是否已结束。不等于0的数据值在此情况下利用第二标志15作为应答来说明。

所有其他接收控制块251、253、…、25n具有与接收控制块252相同的结构。在此情况下，每个接收直接存储器访问配设有独立的第二标志15。

图3作为例子示出了发送控制块262的结构，即通向工作存储器12的用于发送硬件设备20的数据的直接访问通道。发送控制块262包括发送通道262.1和三个地址指针，发送数据目标地址262.2、接收数据源地址262.3和发送标志目标地址262.4。

发送长度262.1说明了在存储器装置23与工作存储器12之间要传输的数据的长度，尤其是多个位。地址指针（发送数据目标地址262.2）说明了在工作存储器12中的数据的目标地址。地址指针（发送数据源地址262.3）说明了存储器装置23中的数据的源地址。地址指针（发送标志目标地址262.4）说明了工作存储器12中的第一标志14的目标地址。第一标志14在此情况下说明了对工作存储器12是否已进行发送直接存储器访问并且发送直接存储器访问是否结束。不等于0的数据值在此情况下利用第一标志14作为应答来说明。

所有其他发送控制块261、263、…、26具有与发送控制块262相同的结构。在此情况下，每个接收直接存储器访问配设有第一标志14。

图4示出了由硬件设备20执行的存储器访问方法。相应地，在该方法开始之后，在步骤S1由硬件设备20（更确切地说由直接存储器访问装置22）实施对工作存储器12的直接访问。在此情况下，硬件设备20的数据被写入工作存储器12的确定的存储器区域121、122、…、12n或从存储器区域中读取。工作存储器12的确定的存储器区域121、122、…、12n在此情况下由相应的接收控制块251、252、…、25n或发送控制块261、262、…、26n中的相关地址指针来表示，相应的接收控制块251、252、…、25n或发送控制块261、262、…、26n对工作存储器12实施直接访问（直接存储器访问）。随后，在步骤S2，由直接存储器访问装置22在工作存储器12中设置相应的标志14、15，如由在相应的接收控制块251、252、…、25n或发送控制块261、262、…、26n中的相关的地址指针所表示的那样。随后，结束用于硬件设备20的方法。

第一标志14和第二标志15可以由控制单元11用于在工作存储器12中的数据流控制，如以下所描述的那样。

图5示出了在控制设备10中执行的存储器访问方法的一部分。

在部分方法启动之后，在步骤S3，中央控制单元11读取发送控制块261、262、…、26n的第一标志14和/或接收控制块251、252、…、25n的第二标志15。随后，中央控制单元11继续至步骤S4。

在步骤S4，在中央控制单元11已经读出工作存储器12的相应的存储器区域121、122、…、12n和/或已处理存储在其中的数据之后，中央控制单元11将工作存储器12中的相应的第一标志14和/或第二标志15复位。随后，优选在数据处理之后，中央控制单元11使能从工作存储器12发出或进入工作存储器12中的数据的接下来的传送。随后，针对中央控制单元11结束该方法。

以此方式，在中央控制单元11无需访问系统总线30的情况下可以实施在工作存储器12中的数据流控制。

根据该实施例，每个DMA通道通过四个项来编程。这些项是指向源地址的指针（Pointer）、指向目标地址的指针（Pointer）和长度项和附加地另一地址指针（Address-Pointer）。这些另外的地址指针指向在中央控制单元11的快速存储器（工作存储器12）中的存储器位置。DMA逻辑部件（更确切地说直接存储器装置22）在相应的数据传送之后启动另一直接数据访问（DMA），该直接数据访问存储就绪标志如第一标志14和/或第二标志15。标志14、15由中央控制单元11询问（轮询）并且在处理数据之后被复位。

图6示出了根据第二实施例的存储器访问方法的一部分。在该实施例中，该系统1以在图1中所示的相同的方式构建。此外，硬件设备20以图4中所示和前面所描述的相同方式执行其存储器访问方法的部分。因此，由中央控制单元11实施的存储器访问方法的部分在该实施例中与在第一实施例中不同。

根据图6，在中央控制单元11中在开始其存储器访问方法的部分之后在步骤S5中检查第一标志14和/或第二标志15是否说明通过硬件设备20执行对工作存储器12中的数据的循环更新。

在此情况下，由中央控制单元11实施的过程和由应用部件21实施的过程在时间上同步进行。这例如由此可以通过如下方式来进行，应用部件21生成至控制设备10尤其中央控制单元11的循环中断。之前，硬件部件21已独立地（可能在两个方向上）交换处理数据。如果在步骤S5处的应答为“是”，则中央控制单元11读出工作存储器12的相应的存储器区域121、122、…、12n和/或处理数据。随后，优选在数据处理之后，中央控制单元11将工作存储器12中的相应的第一标志14和/或第二标志15复位并且使能接下来的从工作存储器12出和/或进入工作存储器12中的数据的传送。随后，针对中央控制单元11结束该方法。

因此，控制设备10在步骤S5中还只需继续处理数据。为了检查：是否该数据已经也被应用部件21更新，中央控制单元11校验和/或复位旗标14和15。

以这种方式，中央控制单元11可以校验在工作存储器12中的数据的循环更新，该更新由硬件设备20独立地通过直接存储器访问（DMA）传输。数据例如可以是循环Sercos III数据。

所有前面所描述的硬件设备、系统和存储器访问方法的扩展方案可以单独地或以所有可能的组合地应用。尤其是，第一实施例和第二实施例的所有扩展方案和功能可以任意组合。附加地，尤其是可考虑如下修改方案。

在图中所示的部分示意性地示出并且在具体的扩展方面可以不同于图中所示的形式，只要保证了其前面所描述的功能。

在前面所描述的系统1和由其实施的存储器访问方法中，能做主机的用户譬如硬件设备20独立地通过直接存储器访问（DMA）发送和接收数据包。在此情况下，直接存储器访问的相应的就绪消息/应答是数据流控制的组成部分。

控制块251至25n和/或控制块261至26n例如分别可以包括控制块，也就是说，n具有16的值。但是，其他数目的控制块251至25n和/或控制块261至26n也是可能的。

Claims (10)

1.一种用于系统（1）的硬件设备（20），具有：

用于将硬件设备（20）与系统总线（30）连接的接口（24），该硬件设备（20）借助该系统总线（30）能够与系统（1）的中央控制单元（11）和/或系统（1）的另外的硬件设备通信，以及

直接存储器访问装置（22），用于直接访问中央控制单元（11）的工作存储器（12），

其中直接存储器访问装置（22）还被构建为，当直接存储器访问装置（22）结束对系统（1）的工作存储器（12）的直接访问时，在用于数据流控制的工作存储器（12）中设置标志（14；15）。

2.根据权利要求1所述的硬件设备，其中直接存储器访问装置（22）被构建为独立针对每个直接存储器访问通道（251至25n，261至26n）设置标志。

3.根据权利要求1或2所述的硬件设备，其中硬件设备（20）是能做主机的硬件设备。

4.一种系统（1），具有：

用于控制该系统（1）的中央控制单元（11），

为该中央控制单元（11）配设的用于存储在控制该系统（1）时能够使用的数据的工作存储器（12），以及

至少一个硬件设备（20），所述硬件设备（20）与中央控制单元（11）通过系统总线（30）连接并且能够被构建为直接访问被配设给中央控制单元（11）的工作存储器（12），

其中中央控制单元（11）针对工作存储器（12）的数据流控制读出工作存储器（12）的标志（14；15）。

5.根据权利要求4所述的系统，其中中央控制单元（11）还被构建为，在中央控制单元（11）读出和/或处理工作存储器（12）中的相关数据时将工作存储器（12）的标志（14；15）复位。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中中央控制单元（11）还被构建为检查和复位工作存储器（12）的标志（14；15），以便检查由所述至少一个硬件设备（20）执行的对工作存储器（12）的数据的循环更新。

7.一种存储器访问方法，具有如下步骤：

借助系统（1）的硬件设备（20）直接访问（S1）工作存储器（12），该工作存储器（12）配设有系统（11）的中央控制单元，该硬件设备（20）通过系统总线（30）与中央控制单元（11）连接，以及

在直接访问（S1）的步骤结束时利用硬件设备（20）在用于数据流控制的工作存储器（12）中设置（S2）标志（14；15）。

8.根据权利要求7所述的存储器访问方法，还具有步骤：

利用中央控制单元（11）读取用于数据流控制的工作存储器（12）的标志（14；15）。

9.根据权利要求7或8所述的存储器访问方法，还具有步骤：

当中央控制单元（11）已读出和/或处理工作存储器（12）中的相关数据时，利用中央控制单元（11）将工作存储器（12）的标志（14；15）复位（S4）。

10.根据权利要求7至9之一所述的存储器访问方法，还具有步骤：

利用中央控制单元（11）检查工作存储器（12）的标志（14；15），以便检查由所述至少一个硬件设备（20）执行的对工作存储器（12）的数据的循环更新，以及

利用中央控制单元（11）将工作存储器（12）的标志（14；15）复位。

Images