基于ARM處理器的HDLC通信的DMA實(shí)現(xiàn)

1、基于ARM處理器的HDLC通信的DMA實(shí)現(xiàn)        摘要：以ARM7TDMI為內(nèi)核的Samsung公司S3C4510B網(wǎng)絡(luò)微控制器（Networking MCU）為基礎(chǔ)，重點(diǎn)論述如何通過DMA（直接內(nèi)存訪問）方式實(shí)現(xiàn)HDLC通信。對軟件設(shè)計(jì)中緩沖描述符、DMA狀態(tài)配置和控制、ISR服務(wù)程序設(shè)計(jì)以及相關(guān)的硬件配置進(jìn)行詳細(xì)的描述，并討論如何編寫在操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序。   目前在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，通常是在OS（Operating System）廠商提供的BSP基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)工作；對于底層硬

2、件的操作，程序設(shè)計(jì)人員很少關(guān)注或只是少量的修改。實(shí)際上很多產(chǎn)品，我們完全可以拋開操作系統(tǒng)的模式，避免不必要的系統(tǒng)開銷，而對底層的硬件直接進(jìn)行處理。這樣，可以節(jié)省資源提高利用率。當(dāng)然，這樣也會(huì)人為地增加系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的難度。但是從長遠(yuǎn)的角度看，進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)思考還是非常必要的。現(xiàn)在一些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中，所缺少的實(shí)際上就是深入了解底層操作，這樣往往使我們丟失了創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。本文主要分析如何在硬件基礎(chǔ)上直接進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，介紹如何在底層進(jìn)行HDLC通信控制操作，以及如何處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面的問題。對于進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以及進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都提供了良好的借鑒。1 S3C4510B以及HDLC模塊S3C4510B

3、是三星公司生產(chǎn)的以ARM（Advanced RISC Machines）16/32bits的RISC ARM7TDMI微處理器為內(nèi)核的一種網(wǎng)絡(luò)微控制器（NETMCU，Networking MCU），主要用于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品（如MUB、Router、HomePNA、SOHO）的開發(fā)設(shè)計(jì)。這款MCU在ARM7TDMI處理器的基礎(chǔ)上，外加2個(gè)通道的HDLC控制器、I2C總線和2個(gè)通道串行接口、1個(gè)MAC控制模塊以及統(tǒng)一的MII界面，提供10MHz/100MHz以太網(wǎng)的自適應(yīng)連接。對于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了靈活的支持。在軟件開發(fā)設(shè)計(jì)方面，NetMCU使用的是ARM7TDMI處理器內(nèi)核，所以支持ARM的開發(fā)工具（

4、如WindRiver的Tornado、ARM的ARMstd251等）都對其適用，方便用戶開發(fā)設(shè)計(jì)，最大限度地獲得支持資源。1.1 S3C4510B中的HDLC模塊S3C4510B的HDLC（High-level Digital Link Controller）控制器擁有2個(gè)串行通道。HDLC模塊支持符合SDLC標(biāo)準(zhǔn)和HDLC標(biāo)準(zhǔn)的CPU/數(shù)據(jù)通道接口，包含2個(gè)DMA引警；支持使用對應(yīng)幀的緩沖區(qū)描述符結(jié)構(gòu)，而且可以靈活地配置通道物理編碼模式（NRZ，F(xiàn)M，MAN），選擇本地或者外部時(shí)鐘；支持通過鎖相環(huán)路從接收數(shù)據(jù)流提取時(shí)鐘信號(hào)。使用的HDLC的幀結(jié)構(gòu)如表1所列。表1 開始標(biāo)志地址域控制

5、域信息域幀校驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志7EH2/4 Bytes1Byte8 bit/Byte16 bit CRC7EH圖1是S3C4510B HDLC控制器功能結(jié)構(gòu)，主要包括總線仲裁單元、DMA控制器、8字的發(fā)送接收（Tx/Rx）FIFO、狀態(tài)/控制寄存器和物理收發(fā)器。總線總裁單元負(fù)責(zé)向CPU申請系統(tǒng)總線；DMA控制器使用緩沖描述符在無CPU干預(yù)下控制數(shù)據(jù)幀的收發(fā)；8字（字=32bit）FIFO結(jié)構(gòu)對CPU和串行接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行立即存儲(chǔ)；物理收發(fā)器控制HDLC通道的運(yùn)行模式、編解碼等；狀態(tài)/控制寄存器是運(yùn)行的核心，程序設(shè)計(jì)人員通過設(shè)置，檢測這些寄存器控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。1.2 中斷模式和HDMA（HDLC DMA）

6、模式（1）中斷模式HTxFIFO結(jié)構(gòu)通過把幀數(shù)據(jù)分別寫入“幀連續(xù)地址”和“幀結(jié)束地址”控制發(fā)送行為；接收時(shí)，作為中斷響應(yīng)，讀取HDLC狀態(tài)寄存器，如果RxFA=1,則可以由CPU從HRxFIFO結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)，直到最后一個(gè)Byte標(biāo)志設(shè)置。中斷模式下CPU去處理每一次數(shù)據(jù)的收發(fā)。對于一個(gè)長幀的數(shù)據(jù)，通常需要多次CPU進(jìn)行干擾去填寫（或讀取）FIFO，導(dǎo)致過多的系統(tǒng)處理開銷（overhead），占用CPU資源。如果在有多個(gè)外部中斷源的系統(tǒng)中，CPU利用效率十分低下。（2）DMA模式使用緩沖描述符BD（Buffer Descriptor）結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)以幀為單位對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送控制。程序設(shè)計(jì)人員

7、只需要填寫相應(yīng)BD結(jié)構(gòu)的域信息，配置收發(fā)模式，具體的執(zhí)行細(xì)節(jié)交給DMA單元控制完成。CPU只是對每一幀進(jìn)行處理，這樣在一幀收發(fā)的過程中，系統(tǒng)可以去處理其它的任務(wù)，有效地利用CPU資源。關(guān)鍵在于構(gòu)建BD循環(huán)鏈表。同時(shí)應(yīng)該注意，BD及其對應(yīng)的緩沖數(shù)據(jù)區(qū)必須放在系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)的非緩存區(qū)（NonCache），這可以通過設(shè)置地址的第26位為1來實(shí)現(xiàn)。1.3 緩沖描述符（BD）緩沖描述符是S3C5410B使用的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常構(gòu)成循環(huán)鏈表。HDMA引擎可以直接讀取結(jié)構(gòu)的信息，用戶通過填寫這些結(jié)構(gòu)中的域去控制HDMA的運(yùn)行行為。如圖2所示，每個(gè)BD包括4個(gè)域：數(shù)據(jù)緩存指針（data buffer pointe

8、r）。第31位標(biāo)識(shí)主權(quán)（ownership）關(guān)系，表示當(dāng)前的BD在DMA（1）控制器和CPU（0）之間的所屬關(guān)系，通常在發(fā)送和接收時(shí)要對其檢查。對于數(shù)據(jù)長度，通常在發(fā)送時(shí)寫入BD的幀長度域，DMA引擎會(huì)根據(jù)其發(fā)送相應(yīng)長度的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)長度會(huì)自動(dòng)寫入這個(gè)域。保留域。發(fā)送BD（Tx），低8位表示發(fā)送控制（如前同步信號(hào)、CRC模式、BIG/LITTLE端選擇等）；接收BD（Rx），保留未用。長度域。發(fā)送BD，用戶寫入發(fā)送幀的數(shù)據(jù)長度；接收BD，DMA控制器寫入接收幀的數(shù)據(jù)長度。Next BD指針。指向下一個(gè)BD，收發(fā)BD各自構(gòu)成一組BD鏈。HDMA控制器在使用過一個(gè)BD后，會(huì)自動(dòng)讀入下一個(gè)BD，裝

9、入HDMA指針寄存器（HDMAXxPTR）。使用指針gpXxBDStart，指示當(dāng)前的可用BD位置。在設(shè)備中定義為全局變量（X表示T或R）。1.4 重要的數(shù)據(jù)類型BD結(jié)構(gòu)的定義如圖2所示。typedef struct BDU32 BufferData Ptr；/數(shù)據(jù)緩存區(qū)指針，其中第31位標(biāo)識(shí)BD的所有權(quán)U32 Reserved；/發(fā)送BD控制位，定義發(fā)送時(shí)操作的模式，接收BD保留U32 StatusLength；/運(yùn)行狀態(tài)，在ISR中檢測，也定義對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)的長度struct BD *NextBD;/下一個(gè)BD指針sBuffer Descriptor；HDLC幀（Frame）定義（如表1

10、）：typedef struct HDLCFRAMEU8 address4; /地址U8 control; /控制信息通道為FFHU8 information1505; /信息域，有效的數(shù)據(jù)sHdlcFrame；HDLC設(shè)備結(jié)構(gòu)定義：typedef struct HDLC_Device U32 HDLC_Port; /HDLC通信號(hào)U32 HDLC_Baud； /HDLC波特率U32 HDLC_Data_format；/HDLC數(shù)據(jù)格式，NRZ，NRZI，F(xiàn)M0，F(xiàn)M1，Manchester/時(shí)鐘選擇（發(fā)送/接收時(shí)鐘源）sBufferDescriptor gpTxBDStart;/*當(dāng)前的發(fā)送

11、BD指針Start of TX BDs*/sBufferDescriptor *gpRxBDStart; /*當(dāng)前的接收BD指針Start of RX BDs */狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息（Abort，CRC error,Null list）Hdle_End_Device；由于在中斷服務(wù)程序入口無法傳遞參數(shù)，故定義設(shè)備為全局變量，程序設(shè)計(jì)中使用指針傳遞，提高效率。Hdlc_End_Device Hdle_Dev; /全局定義Hdlc_End_Device *pDevice; /函數(shù)內(nèi)部定義pDevice=(Hdlc_End_Device *)&Hdlc_Dev；1.5 使用DMA方式的程序設(shè)計(jì)（1

12、）初始化流程初始化流程如圖3所示。void HdlcInit(void); /系統(tǒng)啟動(dòng)HDLC主初始化函數(shù)Int HdlcChannelInit(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl)； /關(guān)閉中斷源、復(fù)位DMA控制器和HDLC控制寄存器、設(shè)置相關(guān)的寄存器、時(shí)鐘源void TxBD_initialize(U32 channel,Hdlc_End_Device *pDrvCtrl);void RxBD_initialize(U32 channel,Hdlc_End_Device *pDrvCtrl)；/初始化發(fā)送接收BD鏈，gpXxBDStart指針指向第1個(gè)BD，HDMAXXPT

13、R寄存器裝入第1個(gè)BD地址void HdlcChannelStart(U32 channel)； /連接中斷服務(wù)程序，打開中斷，啟動(dòng)接收（2）HDMA發(fā)送過程中斷服務(wù)程序HDMA發(fā)送過程及中斷服務(wù)程序如圖4所示。void Transmit_Frame(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl);/準(zhǔn)備數(shù)據(jù)調(diào)用HdlcFramsSend（）Int HdlcFrameSend(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl,U8 *pData,U32 len)；在發(fā)送過程中，首先檢查gpTxBDStart指向的BD的所有權(quán)：如果為DMA所用，應(yīng)當(dāng)退出；如果CPU擁有，則可按照HDLC

14、幀的格式填入gpTxBDStart指向的BD對應(yīng)的緩沖數(shù)據(jù)區(qū)，然后設(shè)置BD的控制信息，設(shè)置所有權(quán)關(guān)系為DMA和LASTF指示位，啟動(dòng)發(fā)送（使能Tx、TxDMA），并把gpTxBDStart移到下一個(gè)位置。void HdlcTx_Isr(void);/發(fā)送中斷服務(wù)程序，通常只做檢測任務(wù)，生成錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)報(bào)告（3）HDMA接收過程及中斷服務(wù)程序HDMA接收過程及中斷服務(wù)程序如圖5所示。void HdlcRx_Isr(void)； /如果接收正常完成，調(diào)用/HdlcFrameReceive ()；void HdlcFrameReceive(Hdle_End_Device *pDrvCtrl,U32 In

15、tHDLCStatus);void HdlcFrameDataGet(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl,U8 *pFrameData,U32 len)；數(shù)據(jù)到達(dá)，進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序。如果接收1幀完成標(biāo)志位（RxFA）設(shè)置，可以進(jìn)入數(shù)據(jù)接收程序，由HdlcFrameDataGet（）負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從接收緩沖數(shù)據(jù)區(qū)送用戶數(shù)據(jù)區(qū)，進(jìn)行處理；如果錯(cuò)誤，生成錯(cuò)誤類型報(bào)告。數(shù)據(jù)接收完畢，應(yīng)該把當(dāng)前的BD交還給接收DMA控制器，設(shè)置對應(yīng)的所有權(quán)為DMA，然后把gpRxBDStart移到BD鏈中的下一個(gè)位置。2 操作系統(tǒng)（OS）設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口雖然程序是在ARMstd251中編譯，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)基本是按照驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)思路，可以通過局部更改轉(zhuǎn)化為OS驅(qū)動(dòng)程序。在HDLC控制中，如何生成BD鏈和相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，是一個(gè)關(guān)