基于DMA控制器的UART串行通信設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)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(shí)現(xiàn)DMA控制的UART串口數(shù)據(jù)包收發(fā)。設(shè)計(jì)鏈表項(xiàng)緩存，最終實(shí)現(xiàn)DMA的分散／聚集模式的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，主要是發(fā)送過(guò)程。提高了串行數(shù)據(jù)通信過(guò)程的MCU獨(dú)立性和MCU利用的效率。
關(guān)鍵詞：DMA；UART；鏈表項(xiàng)；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(lái)完成。但具體不論是以中斷還是以查詢的形式，過(guò)程中總是會(huì)占用到MCU的時(shí)間，即便在其FIFO的最大有效利用時(shí)。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)串口數(shù)據(jù)包量較大時(shí)，UART的發(fā)送過(guò)程會(huì)占用MCU很長(zhǎng)時(shí)間，其中大多數(shù)時(shí)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(shí)間，提高M(jìn)CU的使用效率，以完成更多的數(shù)據(jù)處理，將會(huì)用到DMA控制器。DMA意思是直接內(nèi)存訪問(wèn)，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(dāng)UART的使用DMA控制器控制發(fā)送過(guò)程時(shí)，MCU會(huì)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(shí)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(lái)設(shè)計(jì)UART的DMA控制過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)UART的數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)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(guò)設(shè)置其波特率、停止位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等參數(shù)來(lái)完成2個(gè)UART串行口的通信，當(dāng)然外部通過(guò)電平轉(zhuǎn)換可實(shí)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(gè)UART接口的TX接到另一個(gè)接口的RX。軟件上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文格式可由不同應(yīng)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(chǔ)器，存儲(chǔ)器到外設(shè)，外設(shè)到外設(shè)和存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器之間的傳輸。每個(gè)DMA流都可以為單個(gè)源和目的提供單向串行DMA傳輸。
1．3 鏈表項(xiàng)及其標(biāo)識(shí)
DMA控制器使用鏈表項(xiàng)(LLI)來(lái)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(dāng)于若干個(gè)簡(jiǎn)單DMA過(guò)程的串連。在分散／聚集模式下，源和目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)由一連串的鏈表來(lái)定義，每個(gè)鏈表項(xiàng)控制著一個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸，將這個(gè)數(shù)據(jù)塊傳輸完畢后，選擇并裝載另一個(gè)鏈表項(xiàng)來(lái)繼續(xù)DMA操作或停止DMA流。第一個(gè)鏈表項(xiàng)需要被編程到DMA控制器的對(duì)應(yīng)通道。鏈表項(xiàng)所描述的傳輸數(shù)據(jù)包通常需要進(jìn)行一次或多次DMA突發(fā)傳輸?shù)皆O(shè)定的源或目標(biāo)。如不需要鏈表項(xiàng)分散／聚集，那么鏈表地址寄存器須設(shè)置為零。一個(gè)鏈表的最后一個(gè)鏈表項(xiàng)也須設(shè)置為零。
一個(gè)鏈表項(xiàng)的內(nèi)容由4個(gè)字組成，依次為源地址、目標(biāo)地址、下個(gè)鏈表項(xiàng)地址及控制字。為了方便記錄DMA鏈表內(nèi)容，設(shè)計(jì)并定義一個(gè)鏈表內(nèi)容結(jié)構(gòu)體標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)名稱記作stDMALinkListInfor，定義如下：


2 緩存區(qū)的設(shè)計(jì)
2．1 串行數(shù)據(jù)緩存區(qū)的設(shè)計(jì)
建立UARTn的接口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，記作UARTn_BUF(n)，用來(lái)存儲(chǔ)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(duì)列UARTn_BUF_FR EE_TABLE，用來(lái)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(duì)列UARTn_BUF_FILL_TABLE，用來(lái)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。