基于DMA控制器的UART串行通信設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大數(shù)據(jù)量的串口間通信，在常規(guī)的UART串行數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，結(jié)合Cortex-M3微控制器中DMA控制器的作用，實(shí)現(xiàn)DMA控制的UART串口數(shù)據(jù)包收發(fā)。設(shè)計(jì)鏈表項(xiàng)緩存，最終實(shí)現(xiàn)DMA的分散／聚集模式的數(shù)據(jù)傳輸過程，主要是發(fā)送過程。提高了串行數(shù)據(jù)通信過程的MCU獨(dú)立性和MCU利用的效率。
關(guān)鍵詞：DMA；UART；鏈表項(xiàng)；分散／聚集

    常規(guī)下，UART的數(shù)據(jù)收發(fā)可由MCU控制UART的內(nèi)部FIFO來(lái)完成。但具體不論是以中斷還是以查詢的形式，過程中總是會(huì)占用到MCU的時(shí)間，即便在其FIFO的最大有效利用時(shí)。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)串口數(shù)據(jù)包量較大時(shí)，UART的發(fā)送過程會(huì)占用MCU很長(zhǎng)時(shí)間，其中大多數(shù)時(shí)間可能是在一次等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿?。為了?jié)省這段時(shí)間，提高M(jìn)CU的使用效率，以完成更多的數(shù)據(jù)處理，將會(huì)用到DMA控制器。DMA意思是直接內(nèi)存訪問，是指不經(jīng)由CPU而直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。當(dāng)UART的使用DMA控制器控制發(fā)送過程時(shí)，MCU會(huì)將發(fā)送的控制權(quán)交給DMA硬件控制器，從而在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間中去處理其它的事務(wù)。
    本文將結(jié)合ARM的Cortex-M3內(nèi)核處理器來(lái)設(shè)計(jì)UART的DMA控制過程。Cortex-M3內(nèi)核的處理器，是ARM公司最新一代的ARMv7架構(gòu)的32位處理器。其LPC176X系列的MCU處理器內(nèi)部帶有8通道的DMA控制器。下面將使用這些DMA控制器通道來(lái)實(shí)現(xiàn)UART的數(shù)據(jù)收發(fā)過程。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1. 1 UART控制器
    LPC176X有4路UART控制器，通過設(shè)置其波特率、停止位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等參數(shù)來(lái)完成2個(gè)UART串行口的通信，當(dāng)然外部通過電平轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)為RS232或RS485等接口類型，這里只系統(tǒng)地用內(nèi)的部UART接口。
    硬件的連線上采用交叉互連，即一個(gè)UART接口的TX接到另一個(gè)接口的RX。軟件上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文格式可由不同應(yīng)用不同設(shè)定，這里只籠統(tǒng)的稱做數(shù)據(jù)包。
1．2 DMA控制器
    LPC176X的DMA控制器允許外設(shè)到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器到外設(shè)，外設(shè)到外設(shè)和存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器之間的傳輸。每個(gè)DMA流都可以為單個(gè)源和目的提供單向串行DMA傳輸。
1．3 鏈表項(xiàng)及其標(biāo)識(shí)
    DMA控制器使用鏈表項(xiàng)(LLI)來(lái)支持分散／聚集(Scatter-gather)，分散／聚集是指DMA單次傳輸可以使用不必連續(xù)的內(nèi)存空間，它的效果相當(dāng)于若干個(gè)簡(jiǎn)單DMA過程的串連。在分散／聚集模式下，源和目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)由一連串的鏈表來(lái)定義，每個(gè)鏈表項(xiàng)控制著一個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸，將這個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸完畢后，選擇并裝載另一個(gè)鏈表項(xiàng)來(lái)繼續(xù)DMA操作或停止DMA流。第一個(gè)鏈表項(xiàng)需要被編程到DMA控制器的對(duì)應(yīng)通道。鏈表項(xiàng)所描述的傳輸數(shù)據(jù)包通常需要進(jìn)行一次或多次DMA突發(fā)傳輸?shù)皆O(shè)定的源或目標(biāo)。如不需要鏈表項(xiàng)分散／聚集，那么鏈表地址寄存器須設(shè)置為零。一個(gè)鏈表的最后一個(gè)鏈表項(xiàng)也須設(shè)置為零。
    一個(gè)鏈表項(xiàng)的內(nèi)容由4個(gè)字組成，依次為源地址、目標(biāo)地址、下個(gè)鏈表項(xiàng)地址及控制字。為了方便記錄DMA鏈表內(nèi)容，設(shè)計(jì)并定義一個(gè)鏈表內(nèi)容結(jié)構(gòu)體標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)名稱記作stDMALinkListInfor，定義如下：
   

2 緩存區(qū)的設(shè)計(jì)
2．1 串行數(shù)據(jù)緩存區(qū)的設(shè)計(jì)
    建立UARTn的接口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，記作UARTn_BUF(n)，用來(lái)存儲(chǔ)UART串口數(shù)據(jù)包。為數(shù)據(jù)緩存區(qū)設(shè)置空緩存地址的FIFO隊(duì)列UARTn_BUF_FR EE_TABLE，用來(lái)存放未被數(shù)據(jù)填充占用的空數(shù)據(jù)緩存分區(qū)地址；設(shè)置已占用緩存地址的FIFO隊(duì)列UARTn_BUF_FILL_TABLE，用來(lái)存放已經(jīng)被數(shù)據(jù)填充占用的數(shù)據(jù)緩存分區(qū)地址。
2．2 鏈表項(xiàng)緩存區(qū)的設(shè)計(jì)
    建立N個(gè)DMAx的鏈表內(nèi)容結(jié)構(gòu)體的緩存區(qū)DMAx_LINK_LIST_INFOR_INDEX(i)(i=1，2，3，...N-1)，稱作DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE(i)(i=1，2，...N-1)。其中DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE(i)的地址為4字節(jié)對(duì)齊，必須為最低2位是0的位置。
2．3 空鏈表項(xiàng)地址隊(duì)列的設(shè)計(jì)
    建立DMAx的可用空緩存FIFO隊(duì)列，稱作DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE，用于存儲(chǔ)N個(gè)鏈表中的空緩存區(qū)地址。當(dāng)執(zhí)行出隊(duì)操作時(shí)，返回一個(gè)非NULL空緩存區(qū)地址，若取回值為NULL則說明沒有可用緩存區(qū)；而執(zhí)行入隊(duì)操作時(shí)，會(huì)將一個(gè)非NULL空緩存區(qū)的地址加入FIFO隊(duì)列中，執(zhí)行讀取隊(duì)列長(zhǎng)度操作時(shí)，返回隊(duì)列中可用空緩存地址的數(shù)量。
2．4 已占用鏈表項(xiàng)地址隊(duì)列的設(shè)計(jì)
    建立DMAx的鏈表地址FIFO隊(duì)列，記作DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE，用來(lái)放置占用并填充了鏈表內(nèi)容的結(jié)構(gòu)體緩存區(qū)地址。當(dāng)執(zhí)行出隊(duì)操作時(shí)，返回一個(gè)非NULL已占用緩存區(qū)地址，若取回值為NULL則說明沒有可用的已占用緩存區(qū)地址；而執(zhí)行入隊(duì)操作時(shí)，會(huì)將一個(gè)非NULL已占用緩存區(qū)的地址加入FIFO隊(duì)列中，執(zhí)行讀取隊(duì)列長(zhǎng)度操作時(shí)，返回隊(duì)列中可用的已占用緩存地址數(shù)量。
2．5 發(fā)送用緩存地址保存隊(duì)列的設(shè)計(jì)
    建立UARTn TX的地址保存FIFO隊(duì)列UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，用于保存一次DMA發(fā)送的時(shí)所用到的DMAxLINK_LIST_INFOR_CACHE地址。隊(duì)列容量可與DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE的容量相同，或根據(jù)需求設(shè)置成更小。

3 串行通信程實(shí)現(xiàn)
3．1 關(guān)鍵寄存器設(shè)置
    1)使能外設(shè)時(shí)鐘，將PCONP寄存器中的PCGPDAM位置1。此位在復(fù)位時(shí)為0，即默認(rèn)DMA被禁止，所以在應(yīng)用DMA前須先將其使能。
    2)使能UnFCR中的第3位。該位為UART的DMA功能使能位，置1時(shí)使能DMA，清0后禁用DMA功能；只有在該位使能后，UART的發(fā)送和接收過程才能由DMA控制完成。
    3)將寄存器DMAReqSel的相應(yīng)位清零。比如第0位，因?yàn)镈MA的UART0 TX與定時(shí)器0匹配0復(fù)用，所以需先選擇到UART0 TX上。第0位為0時(shí)DMA選擇UARTX，為1時(shí)DMA選擇MAT0．0；其它串口也需做類似選擇。
3．2 串行數(shù)據(jù)發(fā)送過程實(shí)現(xiàn)
    UARTn的DMA數(shù)據(jù)發(fā)送過程如下：
    1)輪詢檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)需要UARTn的發(fā)送，如果有則從UARTn_BUF_FREE_TABLE隊(duì)列中取出一個(gè)UARTn_BUF緩存，填充欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后從DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE隊(duì)列中取出一個(gè)DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE，將UARTn_BUF的地址賦給DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE的Link List_SrcAddress，并設(shè)置其LinkList_DstAddress為UnTHR的地址LinkList_NextListAddress暫為0、LinkList_Control Value為UARTn_BUF中數(shù)據(jù)大小、源和目的BURST SIZE為0、源和目的傳輸寬度的1字節(jié)、源地址自增、目標(biāo)地址不自增和Terminal Count中斷使能。最后將該DMAx_ LINK_LISTINFOR_CACHE值入隊(duì)到DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE隊(duì)列中。流程如圖1所示。

    2)設(shè)置定時(shí)器UART_DMA_TX_TIMER，定時(shí)值為Ts，即每T秒定時(shí)器UART_DMA_TX_TIMER發(fā)生一次中斷。中斷服務(wù)為檢查DMAx_LINK_LIST_FI LL_TABLE的隊(duì)列長(zhǎng)度L，判斷是否有可用的鏈表地址。如果有，則執(zhí)行出隊(duì)操作取出一個(gè)緩存地址FILL_CACHE_0，將其入隊(duì)到UART_LINK_LIST _STORE_TABLE中。然后利用其中的源地址、目標(biāo)地址和ControIValue值，將其分配給DMA通道x的相應(yīng)寄存器。若L>1，則再取出一個(gè)地址，入隊(duì)到UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，將其值賦給DMAx的LLI寄存器。如果仍有可用鏈表地址，則取出，入隊(duì)到UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，將其值賦給上一個(gè)鏈表地址中的LinkList_NextListAddress，然后依次類似操作，直到最一個(gè)取出后，將其LinkList_Next-ListAddress賦為0。若L=1，則將DMAx的LLI寄存器的值置為0。最后設(shè)置DMAx的Config寄存器，設(shè)置內(nèi)容有目標(biāo)外設(shè)為UART_TX、傳送類型為MEMORY TO PERIP HERAL、不屏避Terminal Count中斷、DMAx通道使能，啟動(dòng)DMAx傳輸。流程如圖2所示。

    3)DMAx傳輸完成產(chǎn)生Terminal Count中斷，在其中斷服務(wù)程序中取出FIFO隊(duì)列UART_LINK_LIST_STORE_TABLE中保存的地址ADDR，將ADDR中的源地址入隊(duì)到UARTn空緩存隊(duì)列，然后將ADDR值填充到DMAx的可用空緩存FIFO隊(duì)列DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE中。流程如圖3所示。

3．3 串行數(shù)據(jù)接收過程實(shí)現(xiàn)
    UARTn的DMA數(shù)據(jù)發(fā)送過程相對(duì)于必送過程較為簡(jiǎn)單，在配置好相應(yīng)的寄存器和目標(biāo)緩存地址后，使能相應(yīng)DMA通道。當(dāng)UART接收數(shù)據(jù)達(dá)到觸發(fā)點(diǎn)后，會(huì)觸發(fā)DMA相應(yīng)通道的突發(fā)請(qǐng)求進(jìn)行傳輸。傳輸結(jié)束后，在TerminalCount中斷服務(wù)中更換目標(biāo)緩存地址，使能一輪即可。當(dāng)然在
配置中，DMA通道的突發(fā)個(gè)數(shù)應(yīng)設(shè)置與UART接收FIFO觸發(fā)點(diǎn)數(shù)相同。

4 結(jié)束語(yǔ)
    在DMA發(fā)送進(jìn)行的過程中，UART_LINK_LIST_STORE_TABLE保存的地址值序列ADDRs中的地址所指空間不能被釋放或被其它程序占用，同樣的ADDRs中地址的源地址所指的UART緩存空間也不能被釋放或被其它程序占用。如果在這個(gè)過程中出現(xiàn)了不滿足上述要求的情況，則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。