基于ARM處理器的HDLC通信的DMA實現(xiàn)

1、基于ARM處理器的HDLC通信的DMA實現(xiàn)        摘要：以ARM7TDMI為內核的Samsung公司S3C4510B網絡微控制器（Networking MCU）為基礎，重點論述如何通過DMA（直接內存訪問）方式實現(xiàn)HDLC通信。對軟件設計中緩沖描述符、DMA狀態(tài)配置和控制、ISR服務程序設計以及相關的硬件配置進行詳細的描述，并討論如何編寫在操作系統(tǒng)下的驅動程序。   目前在嵌入式產品開發(fā)設計中，通常是在OS（Operating System）廠商提供的BSP基礎上進行開發(fā)工作；對于底層硬

2、件的操作，程序設計人員很少關注或只是少量的修改。實際上很多產品，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行處理。這樣，可以節(jié)省資源提高利用率。當然，這樣也會人為地增加系統(tǒng)開發(fā)設計的難度。但是從長遠的角度看，進行這樣的設計思考還是非常必要的?，F(xiàn)在一些產品的設計開發(fā)中，所缺少的實際上就是深入了解底層操作，這樣往往使我們丟失了創(chuàng)新的機會。本文主要分析如何在硬件基礎上直接進行程序設計，介紹如何在底層進行HDLC通信控制操作，以及如何處理數(shù)據結構等方面的問題。對于進行驅動程序的設計以及進行系統(tǒng)設計，都提供了良好的借鑒。1 S3C4510B以及HDLC模塊S3C4510B

3、是三星公司生產的以ARM（Advanced RISC Machines）16/32bits的RISC ARM7TDMI微處理器為內核的一種網絡微控制器（NETMCU，Networking MCU），主要用于網絡產品（如MUB、Router、HomePNA、SOHO）的開發(fā)設計。這款MCU在ARM7TDMI處理器的基礎上，外加2個通道的HDLC控制器、I2C總線和2個通道串行接口、1個MAC控制模塊以及統(tǒng)一的MII界面，提供10MHz/100MHz以太網的自適應連接。對于網絡產品的設計提供了靈活的支持。在軟件開發(fā)設計方面，NetMCU使用的是ARM7TDMI處理器內核，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)設計，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個串行通道。HDLC模塊支持符合SDLC標準和HDLC標準的CPU/數(shù)據通道接口，包含2個DMA引警；支持使用對應幀的緩沖區(qū)描述符結構，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鐘；支持通過鎖相環(huán)路從接收數(shù)據流提取時鐘信號。使用的HDLC的幀結構如表1所列。表1 開始標志地址域控制

5、域信息域幀校驗結束標志7EH2/4 Bytes1Byte8 bit/Byte16 bit CRC7EH圖1是S3C4510B HDLC控制器功能結構，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?？偩€總裁單元負責向CPU申請系統(tǒng)總線；DMA控制器使用緩沖描述符在無CPU干預下控制數(shù)據幀的收發(fā)；8字（字=32bit）FIFO結構對CPU和串行接口的數(shù)據進行立即存儲；物理收發(fā)器控制HDLC通道的運行模式、編解碼等；狀態(tài)/控制寄存器是運行的核心，程序設計人員通過設置，檢測這些寄存器控制數(shù)據的收發(fā)。1.2 中斷模式和HDMA（HDLC DMA）

6、模式（1）中斷模式HTxFIFO結構通過把幀數(shù)據分別寫入“幀連續(xù)地址”和“幀結束地址”控制發(fā)送行為；接收時，作為中斷響應，讀取HDLC狀態(tài)寄存器，如果RxFA=1,則可以由CPU從HRxFIFO結構讀取數(shù)據，直到最后一個Byte標志設置。中斷模式下CPU去處理每一次數(shù)據的收發(fā)。對于一個長幀的數(shù)據，通常需要多次CPU進行干擾去填寫（或讀?。〧IFO，導致過多的系統(tǒng)處理開銷（overhead），占用CPU資源。如果在有多個外部中斷源的系統(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）結構，可以實現(xiàn)以幀為單位對數(shù)據進行接收和發(fā)送控制。程序設計人員

7、只需要填寫相應BD結構的域信息，配置收發(fā)模式，具體的執(zhí)行細節(jié)交給DMA單元控制完成。CPU只是對每一幀進行處理，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，有效地利用CPU資源。關鍵在于構建BD循環(huán)鏈表。同時應該注意，BD及其對應的緩沖數(shù)據區(qū)必須放在系統(tǒng)存儲區(qū)的非緩存區(qū)（NonCache），這可以通過設置地址的第26位為1來實現(xiàn)。1.3 緩沖描述符（BD）緩沖描述符是S3C5410B使用的一種數(shù)據結構，通常構成循環(huán)鏈表。HDMA引擎可以直接讀取結構的信息，用戶通過填寫這些結構中的域去控制HDMA的運行行為。如圖2所示，每個BD包括4個域：數(shù)據緩存指針（data buffer pointe

8、r）。第31位標識主權（ownership）關系，表示當前的BD在DMA（1）控制器和CPU（0）之間的所屬關系，通常在發(fā)送和接收時要對其檢查。對于數(shù)據長度，通常在發(fā)送時寫入BD的幀長度域，DMA引擎會根據其發(fā)送相應長度的數(shù)據。接收數(shù)據長度會自動寫入這個域。保留域。發(fā)送BD（Tx），低8位表示發(fā)送控制（如前同步信號、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)據長度；接收BD，DMA控制器寫入接收幀的數(shù)據長度。Next BD指針。指向下一個BD，收發(fā)BD各自構成一組BD鏈。HDMA控制器在使用過一個BD后，會自動讀入下一個BD，裝

9、入HDMA指針寄存器（HDMAXxPTR）。使用指針gpXxBDStart，指示當前的可用BD位置。在設備中定義為全局變量（X表示T或R）。1.4 重要的數(shù)據類型BD結構的定義如圖2所示。typedef struct BDU32 BufferData Ptr；/數(shù)據緩存區(qū)指針，其中第31位標識BD的所有權U32 Reserved；/發(fā)送BD控制位，定義發(fā)送時操作的模式，接收BD保留U32 StatusLength；/運行狀態(tài)，在ISR中檢測，也定義對應的數(shù)據緩存區(qū)的長度struct BD *NextBD;/下一個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sHdlcFrame；HDLC設備結構定義：typedef struct HDLC_Device U32 HDLC_Port; /HDLC通信號U32 HDLC_Baud； /HDLC波特率U32 HDLC_Data_format；/HDLC數(shù)據格式，NRZ，NRZI，F(xiàn)M0，F(xiàn)M1，Manchester/時鐘選擇（發(fā)送/接收時鐘源）sBufferDescriptor gpTxBDStart;/*當前的發(fā)送

11、BD指針Start of TX BDs*/sBufferDescriptor *gpRxBDStart; /*當前的接收BD指針Start of RX BDs */狀態(tài)統(tǒng)計信息（Abort，CRC error,Null list）Hdle_End_Device；由于在中斷服務程序入口無法傳遞參數(shù)，故定義設備為全局變量，程序設計中使用指針傳遞，提高效率。Hdlc_End_Device Hdle_Dev; /全局定義Hdlc_End_Device *pDevice; /函數(shù)內部定義pDevice=(Hdlc_End_Device *)&Hdlc_Dev；1.5 使用DMA方式的程序設計（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HDLC主初始化函數(shù)Int HdlcChannelInit(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl)； /關閉中斷源、復位DMA控制器和HDLC控制寄存器、設置相關的寄存器、時鐘源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BD，HDMAXXPT

13、R寄存器裝入第1個BD地址void HdlcChannelStart(U32 channel)； /連接中斷服務程序，打開中斷，啟動接收（2）HDMA發(fā)送過程中斷服務程序HDMA發(fā)送過程及中斷服務程序如圖4所示。void Transmit_Frame(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl);/準備數(shù)據調用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：如果為DMA所用，應當退出；如果CPU擁有，則可按照HDLC

14、幀的格式填入gpTxBDStart指向的BD對應的緩沖數(shù)據區(qū)，然后設置BD的控制信息，設置所有權關系為DMA和LASTF指示位，啟動發(fā)送（使能Tx、TxDMA），并把gpTxBDStart移到下一個位置。void HdlcTx_Isr(void);/發(fā)送中斷服務程序，通常只做檢測任務，生成錯誤統(tǒng)計報告（3）HDMA接收過程及中斷服務程序HDMA接收過程及中斷服務程序如圖5所示。void HdlcRx_Isr(void)； /如果接收正常完成，調用/HdlcFrameReceive ()；void HdlcFrameReceive(Hdle_End_Device *pDrvCtrl,U32 In

15、tHDLCStatus);void HdlcFrameDataGet(Hdlc_End_Device *pDrvCtrl,U8 *pFrameData,U32 len)；數(shù)據到達，進入接收中斷服務程序。如果接收1幀完成標志位（RxFA）設置，可以進入數(shù)據接收程序，由HdlcFrameDataGet（）負責把數(shù)據從接收緩沖數(shù)據區(qū)送用戶數(shù)據區(qū)，進行處理；如果錯誤，生成錯誤類型報告。數(shù)據接收完畢，應該把當前的BD交還給接收DMA控制器，設置對應的所有權為DMA，然后把gpRxBDStart移到BD鏈中的下一個位置。2 操作系統(tǒng)（OS）設備驅動接口雖然程序是在ARMstd251中編譯，但是整個結構基本是按照驅動程序設計思路，可以通過局部更改轉化為OS驅動程序。在HDLC控制中，如何生成BD鏈和相應的數(shù)據緩存區(qū)，是一個關