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ARM 中基于 DMA 的高效 UART 通信及其应用

发布于：2024-07-17 编辑：匿名来源：网络

1.简介　　由于UART串口的应用广泛，在传统的8位、16位处理器以及32位处理器中，一般都有一个UART串口。

传统的基于UART的数据通信，一般采用查询式和中断式两种方式。

查询模式下，CPU的负担较重，浪费了处理器的能力，无法很好地处理其他事件；在中断模式下，当接收到信息或需要发送数据时可以产生中断，数据接收在中断服务程序中完成。

并且寄出。

与查询模式相比，中断模式具有更高的CPU利用率。

在CPU任务简单的系统中，使用中断确实是一个很好的方法。

然而，在移动机器人等复杂系统中，处理器需要处理串口通信、多传感器数据采集与处理、实时轨迹生成、运动轨迹插补和位置闭环控制等，涉及多项任务。

中断优先级分配问题。

为了保证数据发送和接收的可靠性，需要将UART中断优先级设计得较高。

但系统可能还有其他需要更高优先级的中断，必须保证它们的时序。

这可能会导致串行通信中断无法及时响应，从而导致数据丢失。

为此，笔者在使用S3c44b0x设计移动机器人控制器时，为了保证串行通信数据的及时可靠接收，同时兼顾其他任务不受影响，提出了一种基于DMA结合的UART串行通信方法并采用中断方式。

DMA是Direct Memory Access的缩写，意思是“直接内存访问”。

它是一种高速数据传输操作，允许外部设备和内存之间直接读取/写入数据，即无需经过CPU或不需要CPU干预。

。

整个数据传输操作是在称为 DMA 控制器的控制下执行的。

CPU除了在数据传输开始和结束时做一点处理外，在传输过程中还可以进行其他工作。

这样，大多数时候，CPU和输入/输出设备是并行运行的。

基本原理可以在课本上找到，这里不再赘述。

这里我们只介绍S3c44c0x的DMA控制器。

　　2。

S3c44b0x 中 DMA 控制器和 UART 的特点　　S3c44b0x 采用 ARM7TDMI 内核，有 4 通道 DMA 控制器，并有 4 个相应的中断。

其中两个 DMA 通道称为 ZDMA（通用 DMA），并连接到 SSB（系统总线）。

另外两个 DMA 通道称为 BDMA（桥 DMA），连接到 SSB 和 SPB（外设总线）之间的接口层。

。

连接到 SSB 的 ZDMA 控制器可用于从存储器到存储器、从存储器到固定目标 I/O 存储器以及从 I/O 设备到存储器传输数据。

另外两个BDMA控制器的主要功能是在外部存储器和内部外设之间传输数据。

这里的内部外设包括SIO、IIS、TIMER和UART。

BDMA和ZDMA可以通过软件或硬件启动。

本设计中我们使用UART0，其对应的DMA通道为BDMA0。

控制器框图如图1所示。

　　S3c44b0x的UART单元提供2个独立的异步串行I/O端口。

每个端口都可以工作在中断模式或DMA模式，即UART可以产生内部中断请求或DMA请求。

在CPU的串行I/O端口/O端口之间传输数据，支持高达0.2KBPS的传输速率。

每个UART通道包含两个16位FIFO通道，分别用于发送和接收。

　　３。

硬件电路设计　　由于S3c44b0x自带了支持UART的DMA控制器，所以不需要在DMA硬件部分做任何工作。

S3C44B0X的I/O口电压为3.3V，PC机一端的串口采用RS电平，所以中间需要进行电平转换，这里使用SPE芯片。

连接电路如图2所示。

　　４。

基于DMA和中断相结合的通信软件设计　　以S3C44B0X为核心组成的移动机器人中，采用3路PWM定时器来驱动3个直流电机，通用GPIO口和A/D口连接外部红外，超声波和激光传感器，并使用UART0完成与上位机（PC）的数据交换。

这些数据是单向的（从上位机发送到S3c44b0x），主要是从上位机发送到机器人控制器的各种数据。

命令信息，但命令信息的发送时间是不规则的，即间隔是可变的。

为了充分利用CPU并降低数据丢失的风险，我们使用UART的DMA模式来完成数据接收。

ARM 中基于 DMA 的高效 UART 通信及其应用

软件部分主要针对具体应用，正确初始化DMA控制器和UART。

UART的初始化比较简单，主要是通信数据格式、波特率等的设置，这些和其他控制器是一样的，只要设置好相关寄存器即可。

注意UART设置为不使用自动流控，也不使用红外传输模式。

需要注意的是，UART0 设置为 DMA 模式而不是中断模式，并且必须启用 FIFO 缓冲区（根据需要使用 16 字节接收缓冲区）。

这样，当接收缓冲区满时，将产生DMA请求而不是中断请求。

由于篇幅限制，具体的寄存器定义和串口初始化不再详细介绍。

可以参考文献[1][2]。

　　DMA控制器的初始化也比较简单，主要是相关寄存器的设置。

本系统中用到的与BDMA0相关的寄存器及相关定义如表1所示，具体寄存器的名称定义和物理地址可参见参考文献[1][2]。

　　表1 S3c44b0x的BDMA相关寄存器定义　　初始化时，目标（缓冲区）首地址、数据传输方向、源寄存器首地址、地址指针是否递增以及增量方向和DMA必须正确设置。

柜台等等。

相关代码及注释如下：　　#define RAM_ADDRESS 0xc00 //定义接收数据的缓冲区，具体取决于硬件。

我们系统中扩展的SDRAM存储空间是从0x0C0~0x0C7fffff，占用S3c44b0x的bank 6。

　　#define size 16 //定义DMA计数器并根据需要设置。

可用选项有 4、8、2 和 16　　char *Buf;　　Buf=(unsigned char*) RAM_ADDRESS; //指针指向起始地址　　BDISRC0=(11<<28)+(int)(rURxH0); /*以字节为单位传输；由于 UART 寄存器中的数据是在 DMA 操作期间读取并放置到设置的缓冲区中，因此源寄存器的地址应固定为； UART的接收保存寄存器rURxH0，位[29:28]应设置为0b11。

*/　　BDIDES0=(10<<30)+(01<<28)+Buf); /*传输方向模式设置为从内部设备（UART口）到外部存储器（SDRAM），目标存储器（SDRAM）使用地址递增的方向依次将数据放入缓冲区*/　　BDICNT0= (10<<30)+(1<<26)+(3<<22)+(1<<21)+(0<<20)+size;/*设置UART0使用BDMA0通道。

当DMA计数达到0时，会自动重新加载并自动启动。

计数结束时将产生中断。

每个 DMA 操作将 16 个字节的数据移动到设定的位置。

Buffer */　　BDICNT0 |= (1<<20);//启用DMA　　BDCON0 = 0x0<<2;//允许外部DMA请求　　数据接收：这部分工作是初始化的后者的DMA控制器依靠硬件来完成。

当不定期接收数据时，将UART0的接收缓冲区初始化为16字节。

当接收缓冲区满时，会产生DMA请求，然后在DMA控制器的控制下，传输UART接收FIFO中的16字节数据。

到指定的缓冲区（SRAM）。

当数据传输完成（DMA计数到0）时，需要做两件事：一是自动重载和自动启动，即自动重置目标（缓冲区）首地址和源地址（UART接收寄存器）和DMA 计数器已准备好迎接下一个 DMA 请求；此外，还会产生 DMA 中断。

DMA中断服务程序要做的工作非常简单。

它只需要设置全局标志RECEIVE_FLAG来通知主程序有新的命令需要处理。

这样，主程序就可以直接处理RAM中的数据，而不需要花时间读取UART的接收缓冲区。

　　数据处理：当主程序查询全局标志RECEIVE_FLAG时，如果为1，则知道有新命令，可以直接读取命令缓冲区，同时清除RECEIVE_FLAG。

然后根据一定的算法对接收到的数据进行分析。

这部分不再详细讨论。

　　5。

测试与结论　　为了验证基于DMA通信的有效性，作者进行了对比测试。

负责轨迹插补的定时中断的优先级设计为最高（中断时间间隔为50毫秒，中断服务程序的执行时间约为30毫秒）。

然后一台机器人采用中断方式接收上位机连续发送的组命令，另一台机器人采用基于DMA方式的中断方式接收上位机连续发送的组命令。

然后在机器人的主程序中，通过读取UART的状态寄存器来确定错误的数量（主要是数据溢出错误，即缓冲区接收到数据但没有及时读取，被新数据覆盖）。

软件采用C语言，用ADS1.2编译和调试。

测试结果如表2所示。

实验证明了第二种方法的有效性。

　　表2：对比测试结果　　本文作者的创新之处在于，在UART通信中，采用DMA方式直接将UART接收到的数据传输到设定的RAM区域，然后对应的全局标志设置后，只需通知主程序数据可用即可。

开发人员无需从UART缓冲区读取数据，只需直接读取RAM即可。

与采用中断方式或查询方式的串口通信方式相比，不仅节省了CPU通信时接收数据的时间，而且可以防止UART接收到的数据因未及时读取而丢失，提高了性能。

沟通效率。

可靠性。

　　参考文献：　　 (1)《嵌入式系统开发与应用》，田泽主编，北京航空航天大学出版社，5月第一版；　　（2）S3C44B0X RISC微处理器，三星电子　　（3）ARM微控制器基础与实战，周立功等主编，北京航空航天大学出版社，11月第1版。

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