英創(chuàng)信息技術(shù)精簡ISA總線Linux編程 – Part3簡介
精簡ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴展總線，其特點是地址數(shù)據(jù)分時復(fù)用8位總線，加上4條總線控制信號，即可實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的快速讀寫。若再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），就可實現(xiàn)高達10MB/s以上的數(shù)據(jù)傳輸。精簡ISA總線作為英創(chuàng)主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型號中均有配置。
關(guān)于對精簡ISA總線接口的應(yīng)用編程的基本方法，請參考《精簡ISA總線編程– Part 1》；應(yīng)用程序直接啟動DMA做定長數(shù)據(jù)的傳送方法，請參考《精簡ISA總線編程– Part 2》。本文介紹由外部硬件觸發(fā)DMA傳送，應(yīng)用程序通過ISA驅(qū)動（/dev/em_isa）讀取采集數(shù)據(jù)的方法。
硬件DMA的基本工作原理
下圖是基于硬件DMA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)框圖：
●應(yīng)用程序通過常規(guī)的異步ISA讀寫操作，對AD采集單元進行必要配置。
●通過特殊的isa_write_buf(..)操作啟動硬件DMA。
●當(dāng)AD采集單元轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)準備好，發(fā)出DMA請求信號（DMAREQ置高，脈沖寬度400ns – 1000ns）。
●DMA控制器感受到DMAREQ信號，連續(xù)產(chǎn)生4個同步總線周期，讀取AD單元內(nèi)已準備好的數(shù)據(jù)，每個同步周期讀取2個字節(jié)，共讀取8個字節(jié)。從DMAREQ請求開始，到DMA數(shù)據(jù)傳輸完畢，整個過程大約1840ns。之后DMA將等待一下一個DMAREQ脈沖信號。
●DMA讀取的數(shù)據(jù)將自動存入驅(qū)動程序內(nèi)部的環(huán)形Buffer中，當(dāng)DMA讀取的數(shù)據(jù)達到一定閾值（4KB）時，驅(qū)動將通過事件觸發(fā)應(yīng)用程序讀取整塊數(shù)據(jù)。
由于AD單元中的數(shù)據(jù)是通過DMA硬件存入系統(tǒng)緩沖區(qū)的，由此產(chǎn)生的CPU開銷就很低。應(yīng)用程序可在數(shù)據(jù)采集的同時，完成必要的數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊等功能塊。另一方面，由于AD采集單元不再需要保存轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，可有效降低硬件成本。
實現(xiàn)基于硬件DMA的數(shù)據(jù)采集，需要以下信號：
| ESM7000信號管腳 | 實際信號功能 |
| ISA_AD0 | ISA地址數(shù)據(jù)總線，LSB |
| ISA_AD1 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD2 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD3 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD4 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD5 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD6 | ISA地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD7 | ISA地址數(shù)據(jù)總線，MSB |
| ISA_CSn | ISA片選控制信號CS，低電平有效 |
| GPIO24 | ISA同步總線周期時鐘BCLK |
| ISA_ADVn | ISA地址鎖存控制信號ADV，低電平有效 |
| ISA_RDn | ISA數(shù)據(jù)讀控制信號RD，低電平有效 |
| ISA_WEn | ISA數(shù)據(jù)寫控制信號WE，低電平有效 |
| GPIO12 | DMA請求信號DMAREQ，輸入，高電平有效 |
注意：在使用硬件DMA數(shù)據(jù)傳輸時，將禁止使用掛角GPIO12和GPIO24的GPIO功能、禁止使用CAN2端口。
DMA傳輸總線時序說明
圖1是一次完整的DMA傳輸總體時序圖。
圖1硬件DMA傳輸總線時序
從上面的時序可見，DMAREQ請求開始，到第一個總線周期，大約有640ns的延時。整個傳輸周期大約1840ns。按2000ns計算，采用硬件DMA傳輸，可實現(xiàn)每秒4MB字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸率。若假設(shè)4路模擬通道，每個樣點16-bit量化，這樣就對應(yīng)每通道500ksps的采樣率。這樣的采樣率可滿足絕大部分的工控應(yīng)用需求。展開圖1觀察，可見：
圖2硬件觸發(fā)DMA傳輸時序前半部分
圖3硬件觸發(fā)DMA傳輸時序后半部分
從上面的時序圖可見，有DMA啟動的總線周期，每個周期只有6個BCLK脈沖，讀取2個數(shù)據(jù)字節(jié)。這與在《精簡ISA總線編程– Part 2》中介紹的CPU啟動的DMA操作不同。在使用時需特別注意。DMAREQ的脈沖寬度有一定要求：DMAREQ脈沖寬度應(yīng)大于240ns，才能保證可靠觸發(fā)DMA，其次DMAREQ應(yīng)在DMA傳輸周期結(jié)束前變低，否則可能誤觸發(fā)下一次DMA傳輸。
每個總線周期詳細的時序關(guān)系如下：
圖4硬件觸發(fā)DMA總線周期時序
圖5硬件觸發(fā)DMA總線周期時序參數(shù)標(biāo)注
為了簡化AD采集單元的電路設(shè)計，硬件觸發(fā)DMA傳輸總線周期輸出的地址固定在0xE0。AD采集單元的其他寄存器應(yīng)避免使用0xE0 – 0xE1這兩個地址。
應(yīng)用程序設(shè)計要點
應(yīng)用程序啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸，需要使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct isa_transfer的傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)，struct isa_transfer的結(jié)構(gòu)定義如下：
|
structisa_transfer { void *rx_buf; /* != NULL: buffer for bus read */ void *tx_buf; /* != NULL: buffer for bus write */ unsigned len; /* buffer length in byte */ unsigned offset; /* offset，port address on isa bus */ unsigned inc; /* = 0: fixed offset, = 1: offset+1 after r/w */ }; |
啟動硬件觸發(fā)DMA傳輸，需要特殊的寫操作，代碼如下：
|
structisa_transfer t; // start ext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0xFFFFFFFF; isa_write_buf(fd, &t); |
注意在上述代碼中t.rx_buf和t.tx_buf均必須為空。停止硬件觸發(fā)DMA傳輸?shù)拇a為：
|
structisa_transfer t; // stopext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0; isa_write_buf(fd, &t); |
在啟動DMA后，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)接收線程需調(diào)用poll等待數(shù)據(jù)ready的消息：
|
structpollfdfds[1]; fds[0].fd = fd; fds[0].events = POLLPRI; // wait data ready with timeout 2 seconds if(poll(fds, 1, 2) == -1) { perror("poll failed!\n"); goto error; } // data is ready…. |
讀取數(shù)據(jù)的代碼為：
|
intrc, total_bytes; structisa_transfer t; externunsignedchargbuf[64 * 1024]; total_bytes = 0; memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); // read data t.rx_buf = gbuf; t.offset = offset; t.len = sizeof(gbuf); rc = read(fd, &t, sizeof(structisa_transfer)); if(rc< 0) { printf("%s dma data read failed %d\n", __func__, rc); } elseif(rc> 0) { total_bytes += rc; printf("%s dma data read %d\n", __func__, total_bytes); } |
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嵌入式主板
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