基于散列DMA的高速串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

　　1 前 言

　　由于串口在電報(bào)通信、工控和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，絕大多數(shù)嵌入式處理器都內(nèi)置了通用異步收發(fā)器(UART)。UART數(shù)據(jù)傳輸主要通過中斷或DMA的方式實(shí)現(xiàn)。

　　中斷方式是在接收到數(shù)據(jù)或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀寫UART的緩沖區(qū)(FIFO)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于串口通信速率一般比較低(典型值不超過115 200 bps)，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都采用中斷方式來傳輸串口數(shù)據(jù)。然而，中斷服務(wù)程序需要占用CPU的時(shí)間，而串口速度的提升也必將導(dǎo)致CPU更頻繁地響應(yīng)UART中斷，這勢必會(huì)造成嵌入式系統(tǒng)的性能下降。

　　DMA數(shù)據(jù)傳輸無需CPU的參與，是一種更加高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。現(xiàn)有的DMA數(shù)據(jù)傳輸方案都是基于DMA塊傳輸方式(即BLOCk DMA)。這種方式下每次傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷，在高速串口通信中，頻繁的DMA中斷仍然會(huì)影響系統(tǒng)的性能。本文基于散列DMA(seatter DMA)的傳輸方式提出了一套完整的工業(yè)級(jí)高速串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了波特率高達(dá)12 Mbps的UART數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

　　DMA(Direct Memory ACCess，直接存儲(chǔ)器訪問)，是指數(shù)據(jù)在內(nèi)存與I／O設(shè)備間的直接傳輸，數(shù)據(jù)操作由DMA控制器(DMAC)完成而不需要CPU的參與，大大提高了CPU的利用率。因此，DMA是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐敕绞?。利用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　①DMA傳輸需要占用系統(tǒng)總線，在此期間CPU不能使用總線。如果外設(shè)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不能有任何的間斷，就必須保證傳輸期間DMAC對系統(tǒng)總線的獨(dú)占，這可能會(huì)影響其他需要使用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。所以，系統(tǒng)總線在DMA傳輸期間是否可被搶占，要依據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特定環(huán)境來決定。

　?、贒MA傳輸存在緩存一致性(cache coherency)問題。如圖1所示，DMAC和CPU是兩個(gè)平行的單元，CPU總是通過數(shù)據(jù)緩存來訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而DMAC則直接訪問內(nèi)存。如果內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被DMAC更新，而數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)尚未被更新，CPU獲得的某些地址的值可能并不是內(nèi)存中的真實(shí)值。為了避免這個(gè)問題，可在DMAC更新完內(nèi)存數(shù)據(jù)后或CPU讀取被更新過的數(shù)據(jù)前刷新數(shù)據(jù)緩存，或是使用不被數(shù)據(jù)緩存映射的非緩存(non-cacheable)內(nèi)存區(qū)域。

DMA數(shù)據(jù)傳輸可分為塊傳輸和散列傳輸兩種方式。在DMA傳輸數(shù)據(jù)的過程中，要求源物理地址和目標(biāo)物理地址必須是連續(xù)的。但是在某些計(jì)算機(jī)體系中(如IA架構(gòu))，連續(xù)的存儲(chǔ)器地址在物理上不一定是連續(xù)的，所以DMA傳輸要分成多次完成。傳輸完一塊物理上連續(xù)的數(shù)據(jù)后引發(fā)一次中斷，然后進(jìn)行下一塊物理上連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，這就是DMA塊傳輸方式(Block DMA)。散列傳輸是在塊傳輸方式上發(fā)展起來的，它與一個(gè)傳輸鏈表相關(guān)，如圖2所示。該鏈表可以是單向結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)?？刂谱种邪瑪?shù)據(jù)位寬、數(shù)據(jù)塊大小、當(dāng)前塊傳輸結(jié)束是否引發(fā)中斷等控制信息。DMA塊傳輸可看作是只含有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且下一節(jié)點(diǎn)指針總是指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的散列傳輸。采用散列DMA方式能更靈活、高效地傳輸數(shù)據(jù)。


　　3 在SPEAR300平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高速串口

　　3.1 硬件平臺(tái)

　　SPEAR300是ST公司在ARM926EJ-S核的基礎(chǔ)上開發(fā)的高性能嵌入式處理器。其最高工作頻率為333MHz，有8個(gè)獨(dú)立的DMA通道，支持散列DMA；UART支持DMA傳輸，發(fā)送和接收FIFO大小均為16字節(jié)，在192 MHz的外設(shè)總線(APB)頻率下支持的最高波特率為12 Mbps，如果提高APB的頻率還可以獲得更高的波特率。本文的硬件平臺(tái)是以SPEAR300為核心的人機(jī)界面產(chǎn)品，主要外設(shè)包括觸摸屏、液晶顯示模組、網(wǎng)口和串口(串口要支持最高波特率為12 Mbps的西門子MPI通信協(xié)議)。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　串口驅(qū)動(dòng)程序的核心是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效穩(wěn)定的收發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)UART的高速數(shù)據(jù)傳輸，UART中斷設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)；同時(shí)在操作系統(tǒng)中允許中斷嵌套，打開UART接收超時(shí)中斷RTI并使能UART的DMA傳輸。這樣，當(dāng)UART的發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)減少到設(shè)定的參考值(FIFOLevel)時(shí)，發(fā)送DMA傳輸就會(huì)被觸發(fā)。同樣，當(dāng)接收FIFO的數(shù)據(jù)增長到設(shè)定值時(shí)，接收DMA傳輸就會(huì)被觸發(fā)。為了減少DMA傳輸被觸發(fā)的次數(shù)同時(shí)保證數(shù)據(jù)被及時(shí)傳輸，發(fā)送FIFO Level設(shè)定為2字節(jié)，而接收FIFOLevel設(shè)定為14字節(jié)，將發(fā)送和接收的FIFO Level分別設(shè)定為0和16字節(jié)是有很大風(fēng)險(xiǎn)的。MPI協(xié)議要求傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)不能有間斷，所以在使用DMA傳輸U(kuò)ART數(shù)據(jù)時(shí)DMAC必須獨(dú)占系統(tǒng)總線。為了避免產(chǎn)生緩存一致性問題，使用2塊非緩存內(nèi)存區(qū)域存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)和已接收到的數(shù)據(jù)。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，待發(fā)送的數(shù)據(jù)量總是已知的。先構(gòu)造一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)源地址為數(shù)據(jù)包的首地址，目的地址為UART寄存器，數(shù)據(jù)位寬為8，下一節(jié)點(diǎn)指針(PTR_NEXT)為空。當(dāng)前數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束前，如果PTR_NEXT被更新，則下一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸自動(dòng)開始。當(dāng)前數(shù)據(jù)包是否發(fā)送完畢，可通過讀取DMAC寄存器DMACCnControl的TransferSize字段得知。整個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程無需觸發(fā)任何中斷，流程圖如圖3所示。如果采用DMA塊傳輸方式，就需要在每次傳輸完畢后產(chǎn)生DMA中斷，重新裝載數(shù)據(jù)到內(nèi)存中的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，對方發(fā)過來的數(shù)據(jù)量一般是未知的。構(gòu)造含有100個(gè)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)鏈表結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的傳輸塊大小為接收FIFO Level。數(shù)據(jù)源地址為UART數(shù)據(jù)寄存器的地址，首節(jié)點(diǎn)的目的地址為接收數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)域的首地址，此后節(jié)點(diǎn)的目的地址每次向后偏移(FIFO Level×2)個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)位寬為16(8個(gè)數(shù)據(jù)位，4個(gè)狀態(tài)位，4個(gè)保留位)。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)達(dá)到接收內(nèi)存區(qū)域的80％(RECV_TH)時(shí)，需要通知數(shù)據(jù)發(fā)送方停止數(shù)據(jù)傳輸，在第80個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置DMA中斷，該節(jié)點(diǎn)為閾值節(jié)點(diǎn)。采用本文的設(shè)計(jì)方案接收1幀不超過RECV_TH大小的數(shù)據(jù)，最多產(chǎn)生一次RTI中斷。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)量少于FIFOLevel時(shí)不會(huì)觸發(fā)DMA接收，在RTI中斷中把UART接收FIFO中的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)接收區(qū)，同時(shí)使DMA接收節(jié)點(diǎn)的目的地址向后偏移相應(yīng)的長度并更新閾值節(jié)點(diǎn)的位置。接收數(shù)據(jù)流程如圖4所示。如果采用DMA塊傳輸方式，就必須額外使用一個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(Ring Buffer)，每次接收到指定大小的數(shù)據(jù)塊后產(chǎn)生DMA中斷，在中斷服務(wù)程序中將接收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

　　3.3 驅(qū)動(dòng)測試

　　本文的設(shè)計(jì)方案直接應(yīng)用于工業(yè)級(jí)的HMI產(chǎn)品，必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試。利用3臺(tái)西門子S7系列PLC和1臺(tái)產(chǎn)品樣機(jī)搭建令牌網(wǎng)，使用西門子MPI協(xié)議進(jìn)行測試，并利用數(shù)據(jù)分析工具ProfiTrace監(jiān)測通信過程。測試結(jié)果表明，2 400 bps～12 Mbps的各個(gè)波特率下都能進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信。

　　4 結(jié) 語

　　本文詳細(xì)介紹了DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和散列DMA的工作方式。在此基礎(chǔ)上，提出了一套基于散列DMA的高速串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，發(fā)送數(shù)據(jù)完全由DMAC完成，無需觸發(fā)任何中斷，接收1幀不超過接收區(qū)閾值的數(shù)據(jù)最多產(chǎn)生1次RTI中斷。和現(xiàn)有的各種利用DMA塊傳輸進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信的方案相比，中斷次數(shù)大幅減少，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。在?yīng)用了本方案的人機(jī)界面產(chǎn)品上，實(shí)現(xiàn)了波特率高達(dá)12 Mbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。對于在其他平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高速串口，本方案是一個(gè)很好的參考。