基于散列DMA的高速串口驱动设计

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。