基于DMA控制器的UART串行通信設(shè)計

摘要：針對大數(shù)據(jù)量的串口間通信，在常規(guī)的UART串行數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，結(jié)合Cortex-M3微控制器中DMA控制器的作用，實現(xiàn)DMA控制的UART串口數(shù)據(jù)包收發(fā)。設(shè)計鏈表項緩存，最終實現(xiàn)DMA的分散／聚集模式的數(shù)據(jù)傳輸過程，主要是發(fā)送過程。提高了串行數(shù)據(jù)通信過程的MCU獨立性和MCU利用的效率。
關(guān)鍵詞：DMA；UART；鏈表項；分散／聚集

常規(guī)下，UART的數(shù)據(jù)收發(fā)可由MCU控制UART的內(nèi)部FIFO來完成。但具體不論是以中斷還是以查詢的形式，過程中總是會占用到MCU的時間，即便在其FIFO的最大有效利用時。這樣，在實際應用中，當串口數(shù)據(jù)包量較大時，UART的發(fā)送過程會占用MCU很長時間，其中大多數(shù)時間可能是在一次等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿?。為了?jié)省這段時間，提高MCU的使用效率，以完成更多的數(shù)據(jù)處理，將會用到DMA控制器。DMA意思是直接內(nèi)存訪問，是指不經(jīng)由CPU而直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。當UART的使用DMA控制器控制發(fā)送過程時，MCU會將發(fā)送的控制權(quán)交給DMA硬件控制器，從而在數(shù)據(jù)發(fā)送的時間中去處理其它的事務(wù)。
本文將結(jié)合ARM的Cortex-M3內(nèi)核處理器來設(shè)計UART的DMA控制過程。Cortex-M3內(nèi)核的處理器，是ARM公司最新一代的ARMv7架構(gòu)的32位處理器。其LPC176X系列的MCU處理器內(nèi)部帶有8通道的DMA控制器。下面將使用這些DMA控制器通道來實現(xiàn)UART的數(shù)據(jù)收發(fā)過程。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1. 1 UART控制器
LPC176X有4路UART控制器，通過設(shè)置其波特率、停止位、數(shù)據(jù)長度等參數(shù)來完成2個UART串行口的通信，當然外部通過電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)為RS232或RS485等接口類型，這里只系統(tǒng)地用內(nèi)的部UART接口。
硬件的連線上采用交叉互連，即一個UART接口的TX接到另一個接口的RX。軟件上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文格式可由不同應用不同設(shè)定，這里只籠統(tǒng)的稱做數(shù)據(jù)包。
1．2 DMA控制器
LPC176X的DMA控制器允許外設(shè)到存儲器，存儲器到外設(shè)，外設(shè)到外設(shè)和存儲器到存儲器之間的傳輸。每個DMA流都可以為單個源和目的提供單向串行DMA傳輸。
1．3 鏈表項及其標識
DMA控制器使用鏈表項(LLI)來支持分散／聚集(Scatter-gather)，分散／聚集是指DMA單次傳輸可以使用不必連續(xù)的內(nèi)存空間，它的效果相當于若干個簡單DMA過程的串連。在分散／聚集模式下，源和目標數(shù)據(jù)區(qū)由一連串的鏈表來定義，每個鏈表項控制著一個數(shù)據(jù)塊的傳輸，將這個數(shù)據(jù)塊傳輸完畢后，選擇并裝載另一個鏈表項來繼續(xù)DMA操作或停止DMA流。第一個鏈表項需要被編程到DMA控制器的對應通道。鏈表項所描述的傳輸數(shù)據(jù)包通常需要進行一次或多次DMA突發(fā)傳輸?shù)皆O(shè)定的源或目標。如不需要鏈表項分散／聚集，那么鏈表地址寄存器須設(shè)置為零。一個鏈表的最后一個鏈表項也須設(shè)置為零。
一個鏈表項的內(nèi)容由4個字組成，依次為源地址、目標地址、下個鏈表項地址及控制字。為了方便記錄DMA鏈表內(nèi)容，設(shè)計并定義一個鏈表內(nèi)容結(jié)構(gòu)體標識，標識名稱記作stDMALinkListInfor，定義如下：


2 緩存區(qū)的設(shè)計
2．1 串行數(shù)據(jù)緩存區(qū)的設(shè)計
建立UARTn的接口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，記作UARTn_BUF(n)，用來存儲UART串口數(shù)據(jù)包。為數(shù)據(jù)緩存區(qū)設(shè)置空緩存地址的FIFO隊列UARTn_BUF_FR EE_TABLE，用來存放未被數(shù)據(jù)填充占用的空數(shù)據(jù)緩存分區(qū)地址；設(shè)置已占用緩存地址的FIFO隊列UARTn_BUF_FILL_TABLE，用來存放已經(jīng)被數(shù)據(jù)填充占用的數(shù)據(jù)緩存分區(qū)地址。