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)。

　　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