散列DMA設計的高速串口驅動技術

1? 概? 述

由于串口在電報通信、工控和數據采集等領域有著廣泛的應用，絕大多數嵌入式處理器都內置了通用異步收發器(UART)。UART數據傳輸主要通過中斷或DMA的方式實現。

中斷方式是在接收到數據或需要發送數據時產生中斷，在中斷服務程序中讀寫UART的緩沖區(FIFO)實現數據傳輸。由于串口通信速率一般比較低(典型值不超過115 200 bps)，大多數嵌入式系統都采用中斷方式來傳輸串口數據。然而，中斷服務程序需要占用CPU的時間，而串口速度的提升也必將導致CPU更頻繁地響應UART中斷，這勢必會造成嵌入式系統的性能下降。

DMA數據傳輸無需CPU的參與，是一種更加高效的數據傳輸方式。現有的DMA數據傳輸方案都是基于DMA塊傳輸方式(即Block DMA)。這種方式下每次傳輸完一個數據塊后產生一個DMA中斷，在高速串口通信中，頻繁的DMA中斷仍然會影響系統的性能。本文基于散列DMA(seatter DMA)的傳輸方式提出了一套完整的工業級高速串口驅動設計方案，實現了波特率高達12 Mbps的UART數據傳輸。

2? DMA數據傳輸的特點

DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)，是指數據在內存與I／O設備間的直接傳輸，數據操作由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是高速數據傳輸的理想方式。利用DMA進行數據傳輸時應注意以下幾點：

①DMA傳輸需要占用系統總線，在此期間CPU不能使用總線。如果外設在進行數據傳輸時不能有任何的間斷，就必須保證傳輸期間DMAC對系統總線的獨占，這可能會影響其他需要使用總線進行數據傳輸的設備。所以，系統總線在DMA傳輸期間是否可被搶占，要依據嵌入式系統的特定環境來決定。

②DMA傳輸存在緩存一致性(cache coherency)問題。如圖1所示，DMAC和CPU是兩個平行的單元，CPU總是通過數據緩存來訪問內存中的數據，而DMAC則直接訪問內存。如果內存中的數據被DMAC更新，而數據緩存中的數據尚未被更新，CPU獲得的某些地址的值可能并不是內存中的真實值。為了避免這個問題，可在DMAC更新完內存數據后或CPU讀取被更新過的數據前刷新數據緩存，或是使用不被數據緩存映射的非緩存(non-cacheable)內存區域。



DMA數據傳輸可分為塊傳輸和散列傳輸兩種方式。在DMA傳輸數據的過程中，要求源物理地址和目標物理地址必須是連續的。但是在某些計算機體系中(如IA架構)，連續的存儲器地址在物理上不一定是連續的，所以DMA傳輸要分成多次完成。傳輸完一塊物理上連續的數據后引發一次中斷，然后進行下一塊物理上連續的數據傳輸，這就是DMA塊傳輸方式(Block DMA)。散列傳輸是在塊傳輸方式上發展起來的，它與一個傳輸鏈表相關，如圖2所示。該鏈表可以是單向結構或環形結構。控制字中包含數據位寬、數據塊大小、當前塊傳輸結束是否引發中斷等控制信息。DMA塊傳輸可看作是只含有一個節點，且下一節點指針總是指向當前節點的散列傳輸。采用散列DMA方式能更靈活、高效地傳輸數據。



3? 在SPEAR300平臺上實現高速串口

3.1? 硬件平臺

SPEAR300是ST公司在ARM926EJ-S核的基礎上開發的高性能嵌入式處理器。其最高工作頻率為333MHz，有8個獨立的DMA通道，支持散列DMA；UART支持DMA傳輸，發送和接收FIFO大小均為16字節，在192 MHz的外設總線(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。本文的硬件平臺是以SPEAR300為核心的人機界面產品，主要外設包括觸摸屏、液晶顯示模組、網口和串口(串口要支持最高波特率為12 Mbps的西門子MPI通信協議)。

3.2? 驅動程序設計

串口驅動程序的核心是實現數據高效穩定的收發。為了實現UART的高速數據傳輸，UART中斷設置為最高優先級；同時在操作系統中允許中斷嵌套，打開UART接收超時中斷RTI并使能UART的DMA傳輸。這樣，當UART的發送FIFO數據減少到設定的參考值(FIFOLevel)時，發送DMA傳輸就會被觸發。同樣，當接收FIFO的數據增長到設定值時，接收DMA傳輸就會被觸發。為了減少DMA傳輸被觸發的次數同時保證數據被及時傳輸，發送FIFO Level設定為2字節，而接收FIFOLevel設定為14字節，將發送和接收的FIFO Level分別設定為0和16字節是有很大風險的。MPI協議要求傳輸的一幀數據不能有間斷，所以在使用DMA傳輸UART數據時DMAC必須獨占系統總線。為了避免產生緩存一致性問題，使用2塊非緩存內存區域存放待發送的數據和已接收到的數據。

發送數據時，待發送的數據量總是已知的。先構造一個傳輸節點，數據源地址為數據包的首地址，目的地址為UART寄存器，數據位寬為8，下一節點指針(PTR_NEXT)為空。當前數據包發送結束前，如果PTR_NEXT被更新，則下一個數據包的傳輸自動開始。當前數據包是否發送完畢，可通過讀取DMAC寄存器DMACCnControl的TransferSize字段得知。整個發送數據的過程無需觸發任何中斷，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生DMA中斷，重新裝載數據到內存中的發送數據區以發送下一個數據包。



接收數據時，對方發過來的數據量一般是未知的。構造含有100個節點的循環鏈表結構，每個節點對應的傳輸塊大小為接收FIFO Level。數據源地址為UART數據寄存器的地址，首節點的目的地址為接收數據內存區域的首地址，此后節點的目的地址每次向后偏移(FIFO Level×2)個字節，數據位寬為16(8個數據位，4個狀態位，4個保留位)。當接收到的數據達到接收內存區域的80％(RECV_TH)時，需要通知數據發送方停止數據傳輸，在第80個節點處設置DMA中斷，該節點為閾值節點。采用本文的設計方案接收1幀不超過RECV_TH大小的數據，最多產生一次RTI中斷。當接收到的數據量少于FIFOLevel時不會觸發DMA接收，在RTI中斷中把UART接收FIFO中的數據復制到內存中的數據接收區，同時使DMA接收節點的目的地址向后偏移相應的長度并更新閾值節點的位置。接收數據流程如圖4所示。如果采用DMA塊傳輸方式，就必須額外使用一個環形數據緩沖區(Ring Buffer)，每次接收到指定大小的數據塊后產生DMA中斷，在中斷服務程序中將接收到的數據復制到環形數據緩沖區中。



3.3?驅動測試

本文的設計方案直接應用于工業級的HMI產品，必須經過嚴格的測試。利用3臺西門子S7系列PLC和1臺產品樣機搭建令牌網，使用西門子MPI協議進行測試，并利用數據分析工具ProfiTrace監測通信過程。測試結果表明，2 400 bps～12 Mbps的各個波特率下都能進行穩定的數據通信。

4? 結? 語

本文詳細介紹了DMA數據傳輸的特點和散列DMA的工作方式。在此基礎上，提出了一套基于散列DMA的高速串口驅動設計方案，發送數據完全由DMAC完成，無需觸發任何中斷，接收1幀不超過接收區閾值的數據最多產生1次RTI中斷。和現有的各種利用DMA塊傳輸進行串口數據通信的方案相比，中斷次數大幅減少，大大提高了數據傳輸的效率。在應用了本方案的人機界面產品上，實現了波特率高達12 Mbps的穩定數據傳輸。對于在其他平臺上設計實現高速串口，本方案是一個很好的參考。