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        rt-thread 驅動篇(一) serialX 框架理論

        出出 ? 來源:出出 ? 作者:出出 ? 2022-06-21 10:37 ? 次閱讀

        前言

        苦串口驅動久矣!

        現狀

        串口驅動三種工作模式:輪詢、中斷、DMA。

        輪詢模式占用 CPU 最高,但是實現也是最簡單的;DMA 占用 CPU 最少,實現也是最麻煩的;中斷模式居中。

        原串口驅動有以下幾個問題:
        1. 中斷模式,接收有緩存,發送沒緩存
        2. 中斷模式,讀操作是非阻塞的,沒有阻塞讀;寫操作因為沒有緩存,只能阻塞寫,沒有非阻塞寫。
        3. 中斷接收過程,每往發送寄存器填充一個字符,就使用完成量等待發送完成中斷,通過完成量進行進程調度次數和發送數據量同樣多!
        4. DMA 模式比較復雜,在實現上更復雜。
        1. 首先,接收有兩種緩存方案,一種沒有緩存,借用應用層的內存直接做 DMA 接收緩存;一種有緩存,用的和中斷模式下相同的 fifo 數據結構。發送只有一種緩存方式,把應用層內存放到數據隊列里做發送緩存。
        2. 無論哪種緩存方案,都沒有考慮阻塞的問題。而是拋給串口驅動一個內存地址,就返回到應用層了。應用層要么動用 `rt_device_set_rx_indicate` `rt_device_set_tx_complete` 做同步——退化成 poll 模式,失去了 DMA 的優勢;要么繼續干其它工作——拋給串口驅動的內存可能引入隱患。
        3. 為了防止 DMA 工作的時候又有新的讀寫需求,

        對串口驅動的期望

        輪詢模式不在今天討論計劃內。下面所有的討論都只涉及中斷和 DMA 兩種模式。

        • 無論哪種工作模式,都應該有至少一級緩存機制。
        • 無論哪種工作模式,都應該可以設置成阻塞或者非阻塞。
        • 默認是阻塞 io 模式;如果想用非阻塞工作模式,可以通過 open 或者 control 修改。
        • 讀寫阻塞特性是同步的,不存在阻塞寫非阻塞讀或者非阻塞寫阻塞讀兩種模式。
        • 阻塞讀的過程是,沒有數據永久阻塞;有數據無論多少(小于等于期望數據量),返回讀取的數據量。
        • 阻塞寫的過程是,緩存空間為 0 阻塞等待緩存被釋放;緩存空間不足先填滿緩存,繼續等待緩存被釋放;緩存空間足夠,把應用層數據拷貝到驅動緩存。最后返回搬到緩存的數據量。
        • 非阻塞讀的過程是,沒有數據返回 0;有數據,從 fifo 拷貝數據到應用層提供的內存,返回拷貝的數據量。
        • 非阻塞寫的過程是,緩存為 0 ,返回 0;緩存不足返回寫成功了多少數據;緩存足夠,把數據搬移完,返回寫成功的數據量。
        • 無論是輪詢、中斷、DMA 哪種模式,都應該可以實現 STREAM 特性。

        中斷模式下的理論實踐

        注:以下實現是在 NUC970 上完成的,有些特性可能不是通用的。例如,串口外設自帶硬件 fifo ,uart1 是高速 uart 設備,fifo 有 64 字節。uart3 的 fifo 就只有 16 字節。

        定義緩存數據結構

        為實現上述需求,接收和發送都需要有如下一個 fifo

        struct rt_serial_fifo
        {
           rt_uint32_t buf_sz;
           /* software fifo buffer */
           rt_uint8_t *buffer;
           rt_uint16_t put_index, get_index;
        
           rt_bool_t is_full;
        };

        > 注:別問我為啥不用 ringbuffer

        大部分還是借用 `struct rt_serial_rx_fifo` 的實現的。增加了個 `buf_sz` 由 fifo 自己維護自己的緩存容量

        針對 fifo 特意定義了三個函數,
        `rt_forceinline rt_size_t _serial_fifo_calc_data_len(struct rt_serial_fifo *fifo)` 計算 fifo 中寫入的數據量
        `rt_forceinline void _serial_fifo_push_data(struct rt_serial_fifo *fifo, rt_uint8_t ch)` 壓入一個數據(不完整實現,具體見下文)
        `rt_forceinline rt_uint8_t _serial_fifo_pop_data(struct rt_serial_fifo *fifo)` 彈出一個數據(不完整實現,具體見下文)

        讀設備過程

        讀設備對應中斷接收。

        rt_inline int _serial_int_rx(struct rt_serial_device *serial, rt_uint8_t *data, int length)
        {
           rt_size_t len, size;
           struct rt_serial_fifo* rx_fifo;
           rt_base_t level;
           RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
        
           rx_fifo = (struct rt_serial_fifo*) serial->serial_rx;
           RT_ASSERT(rx_fifo != RT_NULL);
        
           /* disable interrupt */
           level = rt_hw_interrupt_disable();
        
           len = _serial_fifo_calc_data_len(rx_fifo);
        
           if ((len == 0) &&                // non-blocking io mode
               (serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) == RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) {
               /* enable interrupt */
               rt_hw_interrupt_enable(level);
               return 0;
           }
           if ((len == 0) &&                // blocking io mode
               (serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) != RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) {
               do {
                   /* enable interrupt */
                   rt_hw_interrupt_enable(level);
        
                   rt_completion_wait(&(serial->completion_rx), RT_WAITING_FOREVER);
        
                   /* disable interrupt */
                   level = rt_hw_interrupt_disable();
        
                   len = _serial_fifo_calc_data_len(rx_fifo);
               } while(len == 0);
           }
        
           if (len > length) {
               len = length;
           }
        
           /* read from software FIFO */
           for (size = 0; size < len; size++)
           {
               /* otherwise there's the data: */
               *data = _serial_fifo_pop_data(rx_fifo);
               data++;
           }
        
           rx_fifo->is_full = RT_FALSE;
        
           /* enable interrupt */
           rt_hw_interrupt_enable(level);
        
           return size;
        }

        簡單說明就是:關中斷,計算緩存數據量,如果為空判斷是否需要阻塞??截愅陻祿?,開中斷。
        這里需要注意的是,拷貝完數據后 fifo 必然不會是 full 的,`rx_fifo->is_full = RT_FALSE` 這句沒有加在 `_serial_fifo_pop_data` 函數,所以上面說它的實現是不完整的。

        寫設備過程

        寫設備對應中斷發送

        rt_inline int _serial_int_tx(struct rt_serial_device *serial, const rt_uint8_t *data, int length)
        {
           rt_size_t len, length_t, size;
           struct rt_serial_fifo *tx_fifo;
           rt_base_t level;
           rt_uint8_t last_char = 0;
           RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
        
           tx_fifo = (struct rt_serial_fifo*) serial->serial_tx;
           RT_ASSERT(tx_fifo != RT_NULL);
        
           size = 0;
           do {
               length_t = length - size;
               /* disable interrupt */
               level = rt_hw_interrupt_disable();
        
               len = tx_fifo->buf_sz - _serial_fifo_calc_data_len(tx_fifo);
        
               if ((len == 0) &&                // non-blocking io mode
                   (serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) == RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) {
                   /* enable interrupt */
                   rt_hw_interrupt_enable(level);
                   break;
               }
        
               if ((len == 0) &&                // blocking io mode
                   (serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) != RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING) {
                   /* enable interrupt */
                   rt_hw_interrupt_enable(level);
        
                   rt_completion_wait(&(serial->completion_tx), RT_WAITING_FOREVER);
        
                   continue;
               }
        
               if (len > length_t) {
                   len = length_t;
               }
               /* copy to software FIFO */
               while (len > 0)
               {
                   /*
                    * to be polite with serial console add a line feed
                    * to the carriage return character
                    */
                   if (*data == '\n' &&
                       (serial->parent.open_flag & RT_DEVICE_FLAG_STREAM) == RT_DEVICE_FLAG_STREAM &&
                       last_char != '\r')
                   {
                       _serial_fifo_push_data(tx_fifo, '\r');
        
                       len--;
                       if (len == 0) break;
                       last_char = 0;
                   } else if (*data == '\r') {
                       last_char = '\r';
                   } else {
                       last_char = 0;
                   }
        
                   _serial_fifo_push_data(tx_fifo, *data);
        
                   data++; len--; size++;
               }
        
               /* if the next position is read index, discard this 'read char' */
               if (tx_fifo->put_index == tx_fifo->get_index)
               {
                   tx_fifo->is_full = RT_TRUE;
               }
        
               // TODO: start tx
               serial->ops->start_tx(serial);
        
               /* enable interrupt */
               rt_hw_interrupt_enable(level);
           } while(size < length);
        
           return size;
        }

        簡單說明就是:關中斷,計算 fifo 剩余容量,如果空間不足判斷是否阻塞??截悢祿?,開中斷。
        如果數據沒拷貝完,繼續上述過程,直到所有數據拷貝完成。
        上述函數也實現了 STREAM 打開模式,檢查 “\r”“\n” 不完整的問題。

        特別注意:上述函數并沒有執行寫“發送寄存器”的操作,開中斷前,這里執行了一句 `serial->ops->start_tx(serial)` 用于開啟發送過程(這個的實現可能在不同芯片上略有差異)。

        中斷接收

               while (1) {
                   ch = serial->ops->getc(serial);
                   if (ch == -1) break;
                   /* if fifo is full, discard one byte first */
                   if (rx_fifo->is_full == RT_TRUE) {
                       rx_fifo->get_index += 1;
                       if (rx_fifo->get_index >= rx_fifo->buf_sz) rx_fifo->get_index = 0;
                   }
                   /* push a new data */
                   _serial_fifo_push_data(rx_fifo, ch);
        
                   /* if put index equal to read index, fifo is full */
                   if (rx_fifo->put_index == rx_fifo->get_index)
                   {
                       rx_fifo->is_full = RT_TRUE;
                   }
               }
        
               rt_completion_done(&(serial->completion_rx));

        注:這里的 while 循環是因為 uart 外設自帶硬件 fifo。

        簡單講就是,有接收中斷,就往接收 fifo 中壓入數據,如果 fifo 是滿的,丟棄掉舊數據。

        中斷發送

               /* calucate fifo data size */
               len = _serial_fifo_calc_data_len(tx_fifo);
               if (len == 0) {
                   // TODO: stop tx
                   serial->ops->stop_tx(serial);
                   rt_completion_done(&(serial->completion_tx));
                   break;
               }
               if (len > 64) {
                   len = 64;
               }
               /* read from software FIFO */
               while (len > 0) {
                   /* pop one byte data */
                   ch = _serial_fifo_pop_data(tx_fifo);
        
                   serial->ops->putc(serial, ch);
                   len--;
               }
               tx_fifo->is_full = RT_FALSE;

        先計算是否還有數據要發送,如果沒有,調用 `serial->ops->stop_tx(serial)` 對應上面的 `serial->ops->start_tx(serial)` 。
        因為硬件自帶 fifo ,這里最多可以連續寫 64 個字節。
        因為發送 fifo 是往外彈出數據的,最后肯定是非滿的。

        未說明的問題

        對于串口設備來講,接收是非預期的,所以串口接收中斷必須一直開著。發送就不一樣了,沒有發送數據的時候是可以不開發送中斷的。
        上文中提到的兩個 ops `start_tx` `stop_tx` 正是開發送中斷使能,關發送中斷使能。另外,它倆還有更重要的作用。

        在 NUC970 的設計上,只要發送寄存器為空就會有發送完成中斷,并不是發送完最后一個字節才產生。正因為這個特性,當開發送中斷使能的時候會立馬進入中斷。在中斷里判斷是否有數據要發送,剛好可以作為“啟動發送”。

        對于其它芯片,如果發送中斷的含義是“發送完最后一個字節”,僅僅使能發送中斷還不夠,還需要軟件觸發發送中斷。這是發送不同于接收的最重要的地方。

        DMA 模式下的實現探討

        為什么上一節叫實踐,這一節變成探討了?
        第一,筆者還沒時間在 NUC970 上完成 DMA 的部分。
        第二,有了上面中斷模式的鋪墊,DMA 模式也是輕車熟路。不覺得 NUC970 的硬件 fifo 就是 DMA 的翻版嗎?

        DMA 模式需要二級緩存機制。第一級緩存和中斷模式用的 fifo 一樣。這樣 read write 兩個函數的實現可以是一樣的。
        在此基礎上,增加一個數組。如下是完整串口設備定義:

        struct rt_serial_device
        {
           struct rt_device          parent;
           const struct rt_uart_ops *ops;
           struct serial_configure   config;
        
           void *serial_rx;
           void *serial_tx;
        
           rt_uint8_t serial_dma_rx[64];
           rt_uint8_t serial_dma_tx[64];
        
           cb_serial_tx _cb_tx;
           cb_serial_rx _cb_rx;
        
           struct rt_completion completion_tx;
           struct rt_completion completion_rx;
        };
        typedef struct rt_serial_device rt_serial_t;

        這兩個數組作為 DMA 收發過程的緩存。

        發送數據時,從 serial_tx 的 fifo 拷貝數據到 serial_dma_tx ,啟動 DMA。發送完成后判斷 serial_tx 的 fifo 是否還有數據,有數據繼續拷貝,直到 fifo 為空關閉 DMA 發送。

        接收數據時,在 DMA 中斷里拷貝 `serial_dma_rx` 所有數據到 serial_rx 的 fifo 。如果 DMA 中斷分完成一半中斷和全部傳輸完成兩種中斷??梢苑殖蓛纱沃袛?,每次只處理一半數據,這樣每次往 fifo 倒騰數據的時候,還有一半緩沖區可用,也不至于會擔心倉促。

        我們需要做的工作只有“怎么安全有效啟動 DMA 發送”。

        底層驅動

        以上都是串口設備驅動框架部分,下面說說和芯片操作緊密相關的部分

        init 函數,負責注冊設備到設備樹。
        configure 函數,負責串口外設初始化,包括波特率、數據位、流控等等。還有個重要的工作就是調用引腳復用配置函數。
        control 函數,使能禁用收發等中斷。
        putc 函數,負責寫發送寄存器,寫寄存器前一定先判斷發送寄存器是否可寫是否為空,阻塞等。
        getc 函數,負責讀接收寄存器,讀寄存器前一定先判斷是否有有效數據,如果沒有返回 -1。
        start_tx 函數,使能發送中斷,如果發送寄存器為空,觸發發送中斷。(如果芯片沒有這個特性,需要想辦法觸發發送完成中斷)
        stop_tx 函數,禁用發送中斷。
        中斷回調函數,負責處理中斷,根據中斷狀態調用 `rt_hw_serial_isr` 函數。

        實機驗證

        中斷模式在 NUC970 芯片下經過**千萬級數據**收發測試的考驗。測試環境有如下兩種:

        1. 非阻塞 io;波特率 9600;串口調試工具:USR-TCP232 ,USR 出的調試工具。
        串口調試工具定時 50ms 發送 30 個字符。NUC970 接收到數據后返回接收到的數據。
        2. 阻塞 io;波特率 115200;串口調試工具:USR-TCP232 ,USR 出的調試工具。
        串口調試工具定時 10ms 發送 30 個字符。NUC970 接收到數據后返回接收到的數據。(串口調試助手發送了 200w 字節數據,接收到了相同個數字符?。?/p> image.png

        結論

        因為 NUC970 芯片的特殊性,上面雖說使用的是中斷模式,其實和 DMA 有點兒類似了。假如是沒收發一個字節數據各對應一次中斷,中斷次數會比較多。

        但是,在應用層來看,無論是中斷還是 DMA 都是一樣的——要么阻塞,要么非阻塞。

        審核編輯:湯梓紅

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