基于DMA控制器的UART串行通信设计

摘要：针对大数据量的串口间通信，在常规的UART串行数据通信的基础上，结合Cortex-M3微控制器中DMA控制器的作用，实现DMA控制的UART串口数据包收发。设计链表项缓存，最终实现DMA的分散／聚集模式的数据传输过程，主要是发送过程。提高了串行数据通信过程的MCU独立性和MCU利用的效率。
关键词：DMA；UART；链表项；分散／聚集

常规下，UART的数据收发可由MCU控制UART的内部FIFO来完成。但具体不论是以中断还是以查询的形式，过程中总是会占用到MCU的时间，即便在其FIFO的最大有效利用时。这样，在实际应用中，当串口数据包量较大时，UART的发送过程会占用MCU很长时间，其中大多数时间可能是在一次等待数据传输的完成。为了节省这段时间，提高MCU的使用效率，以完成更多的数据处理，将会用到DMA控制器。DMA意思是直接内存访问，是指不经由CPU而直接从内存中存取数据的数据交换模式。当UART的使用DMA控制器控制发送过程时，MCU会将发送的控制权交给DMA硬件控制器，从而在数据发送的时间中去处理其它的事务。
本文将结合ARM的Cortex-M3内核处理器来设计UART的DMA控制过程。Cortex-M3内核的处理器，是ARM公司最新一代的ARMv7架构的32位处理器。其LPC176X系列的MCU处理器内部带有8通道的DMA控制器。下面将使用这些DMA控制器通道来实现UART的数据收发过程。

1 系统结构及原理
1. 1 UART控制器
LPC176X有4路UART控制器，通过设置其波特率、停止位、数据长度等参数来完成2个UART串行口的通信，当然外部通过电平转换可实现为RS232或RS485等接口类型，这里只系统地用内的部UART接口。
硬件的连线上采用交叉互连，即一个UART接口的TX接到另一个接口的RX。软件上传输的数据报文格式可由不同应用不同设定，这里只笼统的称做数据包。
1．2 DMA控制器
LPC176X的DMA控制器允许外设到存储器，存储器到外设，外设到外设和存储器到存储器之间的传输。每个DMA流都可以为单个源和目的提供单向串行DMA传输。
1．3 链表项及其标识
DMA控制器使用链表项(LLI)来支持分散／聚集(Scatter-gather)，分散／聚集是指DMA单次传输可以使用不必连续的内存空间，它的效果相当于若干个简单DMA过程的串连。在分散／聚集模式下，源和目标数据区由一连串的链表来定义，每个链表项控制着一个数据块的传输，将这个数据块传输完毕后，选择并装载另一个链表项来继续DMA操作或停止DMA流。第一个链表项需要被编程到DMA控制器的对应通道。链表项所描述的传输数据包通常需要进行一次或多次DMA突发传输到设定的源或目标。如不需要链表项分散／聚集，那么链表地址寄存器须设置为零。一个链表的最后一个链表项也须设置为零。
一个链表项的内容由4个字组成，依次为源地址、目标地址、下个链表项地址及控制字。为了方便记录DMA链表内容，设计并定义一个链表内容结构体标识，标识名称记作stDMALinkListInfor，定义如下：


2 缓存区的设计
2．1 串行数据缓存区的设计
建立UARTn的接口数据缓存区，记作UARTn_BUF(n)，用来存储UART串口数据包。为数据缓存区设置空缓存地址的FIFO队列UARTn_BUF_FR EE_TABLE，用来存放未被数据填充占用的空数据缓存分区地址；设置已占用缓存地址的FIFO队列UARTn_BUF_FILL_TABLE，用来存放已经被数据填充占用的数据缓存分区地址。