散列DMA设计的高速串口驱动技术

1  概  述

由于串口在电报通信、工控和数据采集等领域有着广泛的应用，绝大多数嵌入式处理器都内置了通用异步收发器(UART)。UART数据传输主要通过中断或DMA的方式实现。

中断方式是在接收到数据或需要发送数据时产生中断，在中断服务程序中读写UART的缓冲区(FIFO)实现数据传输。由于串口通信速率一般比较低(典型值不超过115 200 bps)，大多数嵌入式系统都采用中断方式来传输串口数据。然而，中断服务程序需要占用CPU的时间，而串口速度的提升也必将导致CPU更频繁地响应UART中断，这势必会造成嵌入式系统的性能下降。

DMA数据传输无需CPU的参与，是一种更加高效的数据传输方式。现有的DMA数据传输方案都是基于DMA块传输方式(即Block DMA)。这种方式下每次传输完一个数据块后产生一个DMA中断，在高速串口通信中，频繁的DMA中断仍然会影响系统的性能。本文基于散列DMA(seatter DMA)的传输方式提出了一套完整的工业级高速串口驱动设计方案，实现了波特率高达12 Mbps的UART数据传输。

2  DMA数据传输的特点

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)，是指数据在内存与I／O设备间的直接传输，数据操作由DMA控制器(DMAC)完成而不需要CPU的参与，大大提高了CPU的利用率。因此，DMA是高速数据传输的理想方式。利用DMA进行数据传输时应注意以下几点：

①DMA传输需要占用系统总线，在此期间CPU不能使用总线。如果外设在进行数据传输时不能有任何的间断，就必须保证传输期间DMAC对系统总线的独占，这可能会影响其他需要使用总线进行数据传输的设备。所以，系统总线在DMA传输期间是否可被抢占，要依据嵌入式系统的特定环境来决定。

②DMA传输存在缓存一致性(cache coherency)问题。如图1所示，DMAC和CPU是两个平行的单元，CPU总是通过数据缓存来访问内存中的数据，而DMAC则直接访问内存。如果内存中的数据被DMAC更新，而数据缓存中的数据尚未被更新，CPU获得的某些地址的值可能并不是内存中的真实值。为了避免这个问题，可在DMAC更新完内存数据后或CPU读取被更新过的数据前刷新数据缓存，或是使用不被数据缓存映射的非缓存(non-cacheable)内存区域。



DMA数据传输可分为块传输和散列传输两种方式。在DMA传输数据的过程中，要求源物理地址和目标物理地址必须是连续的。但是在某些计算机体系中(如IA架构)，连续的存储器地址在物理上不一定是连续的，所以DMA传输要分成多次完成。传输完一块物理上连续的数据后引发一次中断，然后进行下一块物理上连续的数据传输，这就是DMA块传输方式(Block DMA)。散列传输是在块传输方式上发展起来的，它与一个传输链表相关，如图2所示。该链表可以是单向结构或环形结构。控制字中包含数据位宽、数据块大小、当前块传输结束是否引发中断等控制信息。DMA块传输可看作是只含有一个节点，且下一节点指针总是指向当前节点的散列传输。采用散列DMA方式能更灵活、高效地传输数据。



3  在SPEAR300平台上实现高速串口

3.1  硬件平台

SPEAR300是ST公司在ARM926EJ-S核的基础上开发的高性能嵌入式处理器。其最高工作频率为333MHz，有8个独立的DMA通道，支持散列DMA；UART支持DMA传输，发送和接收FIFO大小均为16字节，在192 MHz的外设总线(APB)频率下支持的最高波特率为12 Mbps，如果提高APB的频率还可以获得更高的波特率。本文的硬件平台是以SPEAR300为核心的人机界面产品，主要外设包括触摸屏、液晶显示模组、网口和串口(串口要支持最高波特率为12 Mbps的西门子MPI通信协议)。[!--empirenews.page--]

3.2  驱动程序设计

串口驱动程序的核心是实现数据高效稳定的收发。为了实现UART的高速数据传输，UART中断设置为最高优先级；同时在操作系统中允许中断嵌套，打开UART接收超时中断RTI并使能UART的DMA传输。这样，当UART的发送FIFO数据减少到设定的参考值(FIFOLevel)时，发送DMA传输就会被触发。同样，当接收FIFO的数据增长到设定值时，接收DMA传输就会被触发。为了减少DMA传输被触发的次数同时保证数据被及时传输，发送FIFO Level设定为2字节，而接收FIFOLevel设定为14字节，将发送和接收的FIFO Level分别设定为0和16字节是有很大风险的。MPI协议要求传输的一帧数据不能有间断，所以在使用DMA传输UART数据时DMAC必须独占系统总线。为了避免产生缓存一致性问题，使用2块非缓存内存区域存放待发送的数据和已接收到的数据。

发送数据时，待发送的数据量总是已知的。先构造一个传输节点，数据源地址为数据包的首地址，目的地址为UART寄存器，数据位宽为8，下一节点指针(PTR_NEXT)为空。当前数据包发送结束前，如果PTR_NEXT被更新，则下一个数据包的传输自动开始。当前数据包是否发送完毕，可通过读取DMAC寄存器DMACCnControl的TransferSize字段得知。整个发送数据的过程无需触发任何中断，流程图如图3所示。如果采用DMA块传输方式，就需要在每次传输完毕后产生DMA中断，重新装载数据到内存中的发送数据区以发送下一个数据包。



接收数据时，对方发过来的数据量一般是未知的。构造含有100个节点的循环链表结构，每个节点对应的传输块大小为接收FIFO Level。数据源地址为UART数据寄存器的地址，首节点的目的地址为接收数据内存区域的首地址，此后节点的目的地址每次向后偏移(FIFO Level×2)个字节，数据位宽为16(8个数据位，4个状态位，4个保留位)。当接收到的数据达到接收内存区域的80％(RECV_TH)时，需要通知数据发送方停止数据传输，在第80个节点处设置DMA中断，该节点为阈值节点。采用本文的设计方案接收1帧不超过RECV_TH大小的数据，最多产生一次RTI中断。当接收到的数据量少于FIFOLevel时不会触发DMA接收，在RTI中断中把UART接收FIFO中的数据复制到内存中的数据接收区，同时使DMA接收节点的目的地址向后偏移相应的长度并更新阈值节点的位置。接收数据流程如图4所示。如果采用DMA块传输方式，就必须额外使用一个环形数据缓冲区(Ring Buffer)，每次接收到指定大小的数据块后产生DMA中断，在中断服务程序中将接收到的数据复制到环形数据缓冲区中。



3.3 驱动测试

本文的设计方案直接应用于工业级的HMI产品，必须经过严格的测试。利用3台西门子S7系列PLC和1台产品样机搭建令牌网，使用西门子MPI协议进行测试，并利用数据分析工具ProfiTrace监测通信过程。测试结果表明，2 400 bps～12 Mbps的各个波特率下都能进行稳定的数据通信。

4  结  语

本文详细介绍了DMA数据传输的特点和散列DMA的工作方式。在此基础上，提出了一套基于散列DMA的高速串口驱动设计方案，发送数据完全由DMAC完成，无需触发任何中断，接收1帧不超过接收区阈值的数据最多产生1次RTI中断。和现有的各种利用DMA块传输进行串口数据通信的方案相比，中断次数大幅减少，大大提高了数据传输的效率。在应用了本方案的人机界面产品上，实现了波特率高达12 Mbps的稳定数据传输。对于在其他平台上设计实现高速串口，本方案是一个很好的参考。