基于DMA控制器的UART串行通信设计

摘要：针对大数据量的串口间通信，在常规的UART串行数据通信的基础上，结合Cortex-M3微控制器中DMA控制器的作用，实现DMA控制的UART串口数据包收发。设计链表项缓存，最终实现DMA的分散／聚集模式的数据传输过程，主要是发送过程。提高了串行数据通信过程的MCU独立性和MCU利用的效率。
关键词：DMA；UART；链表项；分散／聚集

    常规下，UART的数据收发可由MCU控制UART的内部FIFO来完成。但具体不论是以中断还是以查询的形式，过程中总是会占用到MCU的时间，即便在其FIFO的最大有效利用时。这样，在实际应用中，当串口数据包量较大时，UART的发送过程会占用MCU很长时间，其中大多数时间可能是在一次等待数据传输的完成。为了节省这段时间，提高MCU的使用效率，以完成更多的数据处理，将会用到DMA控制器。DMA意思是直接内存访问，是指不经由CPU而直接从内存中存取数据的数据交换模式。当UART的使用DMA控制器控制发送过程时，MCU会将发送的控制权交给DMA硬件控制器，从而在数据发送的时间中去处理其它的事务。
    本文将结合ARM的Cortex-M3内核处理器来设计UART的DMA控制过程。Cortex-M3内核的处理器，是ARM公司最新一代的ARMv7架构的32位处理器。其LPC176X系列的MCU处理器内部带有8通道的DMA控制器。下面将使用这些DMA控制器通道来实现UART的数据收发过程。

1 系统结构及原理
1. 1 UART控制器
    LPC176X有4路UART控制器，通过设置其波特率、停止位、数据长度等参数来完成2个UART串行口的通信，当然外部通过电平转换可实现为RS232或RS485等接口类型，这里只系统地用内的部UART接口。
    硬件的连线上采用交叉互连，即一个UART接口的TX接到另一个接口的RX。软件上传输的数据报文格式可由不同应用不同设定，这里只笼统的称做数据包。
1．2 DMA控制器
    LPC176X的DMA控制器允许外设到存储器，存储器到外设，外设到外设和存储器到存储器之间的传输。每个DMA流都可以为单个源和目的提供单向串行DMA传输。
1．3 链表项及其标识
    DMA控制器使用链表项(LLI)来支持分散／聚集(Scatter-gather)，分散／聚集是指DMA单次传输可以使用不必连续的内存空间，它的效果相当于若干个简单DMA过程的串连。在分散／聚集模式下，源和目标数据区由一连串的链表来定义，每个链表项控制着一个数据块的传输，将这个数据块传输完毕后，选择并装载另一个链表项来继续DMA操作或停止DMA流。第一个链表项需要被编程到DMA控制器的对应通道。链表项所描述的传输数据包通常需要进行一次或多次DMA突发传输到设定的源或目标。如不需要链表项分散／聚集，那么链表地址寄存器须设置为零。一个链表的最后一个链表项也须设置为零。
    一个链表项的内容由4个字组成，依次为源地址、目标地址、下个链表项地址及控制字。为了方便记录DMA链表内容，设计并定义一个链表内容结构体标识，标识名称记作stDMALinkListInfor，定义如下：
   

2 缓存区的设计
2．1 串行数据缓存区的设计
    建立UARTn的接口数据缓存区，记作UARTn_BUF(n)，用来存储UART串口数据包。为数据缓存区设置空缓存地址的FIFO队列UARTn_BUF_FR EE_TABLE，用来存放未被数据填充占用的空数据缓存分区地址；设置已占用缓存地址的FIFO队列UARTn_BUF_FILL_TABLE，用来存放已经被数据填充占用的数据缓存分区地址。
2．2 链表项缓存区的设计
    建立N个DMAx的链表内容结构体的缓存区DMAx_LINK_LIST_INFOR_INDEX(i)(i=1，2，3，...N-1)，称作DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE(i)(i=1，2，...N-1)。其中DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE(i)的地址为4字节对齐，必须为最低2位是0的位置。
2．3 空链表项地址队列的设计
    建立DMAx的可用空缓存FIFO队列，称作DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE，用于存储N个链表中的空缓存区地址。当执行出队操作时，返回一个非NULL空缓存区地址，若取回值为NULL则说明没有可用缓存区；而执行入队操作时，会将一个非NULL空缓存区的地址加入FIFO队列中，执行读取队列长度操作时，返回队列中可用空缓存地址的数量。
2．4 已占用链表项地址队列的设计
    建立DMAx的链表地址FIFO队列，记作DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE，用来放置占用并填充了链表内容的结构体缓存区地址。当执行出队操作时，返回一个非NULL已占用缓存区地址，若取回值为NULL则说明没有可用的已占用缓存区地址；而执行入队操作时，会将一个非NULL已占用缓存区的地址加入FIFO队列中，执行读取队列长度操作时，返回队列中可用的已占用缓存地址数量。
2．5 发送用缓存地址保存队列的设计
    建立UARTn TX的地址保存FIFO队列UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，用于保存一次DMA发送的时所用到的DMAxLINK_LIST_INFOR_CACHE地址。队列容量可与DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE的容量相同，或根据需求设置成更小。

3 串行通信程实现
3．1 关键寄存器设置
    1)使能外设时钟，将PCONP寄存器中的PCGPDAM位置1。此位在复位时为0，即默认DMA被禁止，所以在应用DMA前须先将其使能。
    2)使能UnFCR中的第3位。该位为UART的DMA功能使能位，置1时使能DMA，清0后禁用DMA功能；只有在该位使能后，UART的发送和接收过程才能由DMA控制完成。
    3)将寄存器DMAReqSel的相应位清零。比如第0位，因为DMA的UART0 TX与定时器0匹配0复用，所以需先选择到UART0 TX上。第0位为0时DMA选择UARTX，为1时DMA选择MAT0．0；其它串口也需做类似选择。
3．2 串行数据发送过程实现
    UARTn的DMA数据发送过程如下：
    1)轮询检测是否有数据需要UARTn的发送，如果有则从UARTn_BUF_FREE_TABLE队列中取出一个UARTn_BUF缓存，填充欲发送的数据，然后从DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE队列中取出一个DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE，将UARTn_BUF的地址赋给DMAx_LINK_LIST_INFOR_CACHE的Link List_SrcAddress，并设置其LinkList_DstAddress为UnTHR的地址LinkList_NextListAddress暂为0、LinkList_Control Value为UARTn_BUF中数据大小、源和目的BURST SIZE为0、源和目的传输宽度的1字节、源地址自增、目标地址不自增和Terminal Count中断使能。最后将该DMAx_ LINK_LISTINFOR_CACHE值入队到DMAx_LINK_LIST_FILL_TABLE队列中。流程如图1所示。

    2)设置定时器UART_DMA_TX_TIMER，定时值为Ts，即每T秒定时器UART_DMA_TX_TIMER发生一次中断。中断服务为检查DMAx_LINK_LIST_FI LL_TABLE的队列长度L，判断是否有可用的链表地址。如果有，则执行出队操作取出一个缓存地址FILL_CACHE_0，将其入队到UART_LINK_LIST _STORE_TABLE中。然后利用其中的源地址、目标地址和ControIValue值，将其分配给DMA通道x的相应寄存器。若L>1，则再取出一个地址，入队到UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，将其值赋给DMAx的LLI寄存器。如果仍有可用链表地址，则取出，入队到UART_LINK_LIST_STORE_TABLE，将其值赋给上一个链表地址中的LinkList_NextListAddress，然后依次类似操作，直到最一个取出后，将其LinkList_Next-ListAddress赋为0。若L=1，则将DMAx的LLI寄存器的值置为0。最后设置DMAx的Config寄存器，设置内容有目标外设为UART_TX、传送类型为MEMORY TO PERIP HERAL、不屏避Terminal Count中断、DMAx通道使能，启动DMAx传输。流程如图2所示。

    3)DMAx传输完成产生Terminal Count中断，在其中断服务程序中取出FIFO队列UART_LINK_LIST_STORE_TABLE中保存的地址ADDR，将ADDR中的源地址入队到UARTn空缓存队列，然后将ADDR值填充到DMAx的可用空缓存FIFO队列DMAx_LINK_LIST_FREE_TABLE中。流程如图3所示。

3．3 串行数据接收过程实现
    UARTn的DMA数据发送过程相对于必送过程较为简单，在配置好相应的寄存器和目标缓存地址后，使能相应DMA通道。当UART接收数据达到触发点后，会触发DMA相应通道的突发请求进行传输。传输结束后，在TerminalCount中断服务中更换目标缓存地址，使能一轮即可。当然在
配置中，DMA通道的突发个数应设置与UART接收FIFO触发点数相同。

4 结束语
    在DMA发送进行的过程中，UART_LINK_LIST_STORE_TABLE保存的地址值序列ADDRs中的地址所指空间不能被释放或被其它程序占用，同样的ADDRs中地址的源地址所指的UART缓存空间也不能被释放或被其它程序占用。如果在这个过程中出现了不满足上述要求的情况，则会出现不可预测的错误。