英創(chuàng)信息技術(shù)精簡ISA總線Linux編程 – Part2簡介
精簡ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴(kuò)展總線，其特點(diǎn)是地址數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用8位總線，加上4條總線控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的快速讀寫。若再使能一條總線時(shí)鐘信號(hào)（共13條信號(hào)），就可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10MB/s以上的數(shù)據(jù)傳輸。精簡ISA總線作為英創(chuàng)主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型號(hào)中均有配置。
關(guān)于對(duì)精簡ISA總線接口的應(yīng)用編程的基本方法，請(qǐng)參考《精簡ISA總線編程 – Part 1》。本文介紹由應(yīng)用程序啟動(dòng)基于DMA的數(shù)據(jù)塊讀寫，即MemCpy方式的DMA。采用DMA進(jìn)行ISA總線數(shù)據(jù)傳送的目的，是為了降低高速傳送大量數(shù)據(jù)時(shí)的CPU開銷。MemCpy方式的DMA是指軟件線程啟動(dòng)DMA，然后該線程掛起等待DMA操作完成。在多線程環(huán)境中，其他線程即可在DMA執(zhí)行過程中得以并行運(yùn)行。
ISA總線信號(hào)定義如下：
| 信號(hào)及說明 | PIN# | 信號(hào)及說明 | |
| RESET_B，硬件復(fù)位 | 1 | 2 | ISA_ADVn，地址鎖存控制信號(hào) |
| ISA_AD0，地址數(shù)據(jù)總線，LSB | 3 | 4 | ISA_AD4，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD1，地址數(shù)據(jù)總線 | 5 | 6 | ISA_AD5，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD2，地址數(shù)據(jù)總線 | 7 | 8 | ISA_AD6，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD3，地址數(shù)據(jù)總線 | 9 | 10 | ISA_AD7，地址數(shù)據(jù)總線，MSB |
| MSLn，支持多模塊掛接總線 | 11 | 12 | ISA_WEn，數(shù)據(jù)寫控制信號(hào) |
| GPIO9，可選作為IRQ | 13 | 14 | ISA_RDn，數(shù)據(jù)讀控制信號(hào) |
| GPIO8，可選作為IRQ | 15 | 16 | ISA_CSn，片選控制信號(hào) |
| GPIO25，可選作為IRQ | 17 | 18 | VDD_5V0，+5V供電 |
| GPIO24 / ISA_BCLK，同步時(shí)鐘ISA_BCLK | 19 | 20 | GND，電源信號(hào)地 |
本文以下部分，將以ESM7000 Linux平臺(tái)為例，介紹具體的編程方法。
DMA總線訪問API
應(yīng)用啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸，需要使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct isa_transfer的傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)，structisa_transfer的結(jié)構(gòu)定義如下：
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structisa_transfer { void *rx_buf; /* != NULL: buffer for bus read */ void *tx_buf; /* != NULL: buffer for bus write */ unsigned len; /* buffer length in byte */ unsigned offset; /* offset，port address on isa bus */ unsigned inc; /* = 0: fixed offset, = 1: offset+1 after r/w */ }; |
每一個(gè)總線周期的操作只能是讀或?qū)?，因此在isa_transfer結(jié)構(gòu)中只能有一個(gè)buffer指針不為NULL。以下是執(zhí)行32字節(jié)數(shù)據(jù)塊寫的代碼，寫入地址為0x4040。順序的數(shù)據(jù)可方便時(shí)序的觀察。
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unsignedchargbuf[64 * 1024]; unsignedint i, value; structisa_transfer t; unsignedchar *pBuf8; // write data block memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x4040; t.len = 32; // max len<= 16KB = 16 * 1024 t.tx_buf = gbuf; // fill data value = 0x55; // initialvalue pBuf8 = (unsignedchar*)t.tx_buf; for(i = 0; i *pBuf8 = (unsignedchar)(value + i); pBuf8++; } isa_write_buf(fd, &t); |
注意offset必須是0x4000 – 0x40FF，驅(qū)動(dòng)程序才會(huì)啟動(dòng)MemCpy方式的DMA傳輸。若從0x4040讀入32字節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)代碼則為：
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unsignedchargbuf[64 * 1024]; structisa_transfer t; // read data block memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x4040; t.len = 32; // max len<= 16KB = 16 * 1024 t.rx_buf = gbuf; isa_read_buf(fd, &t); |
DMA傳輸總線時(shí)序說明
圖1、圖2分別為MemCpy方式DMA讀總線時(shí)序概要、寫總線時(shí)序概要。
圖1DMA讀總線時(shí)序
圖2DMA寫總線時(shí)序
從上面的時(shí)序可見，DMA也是16字節(jié)一組，連續(xù)4個(gè)總線周期組成，每組之間有一定間隔。DMA讀操作的總線速率大約為11.8MB/s，DMA寫操作的總線速率大約為11.2MB/s。
展開DMA寫的總線時(shí)序可看到：
圖3DMA寫總線時(shí)序—第1組起始部分
圖4DMA寫總線時(shí)序—第1組結(jié)束部分
圖5DMA寫總線時(shí)序—第2組起始部分
圖6DMA寫總線時(shí)序—第2組結(jié)束部分
在每個(gè)總線周期中，地址遞增4。這樣當(dāng)傳輸長度超過256字節(jié)時(shí)，ISA地址及會(huì)循環(huán)。這意味著當(dāng)采用MemCpy方式DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)端口譯碼不能采用普通的組合電路地址譯碼方式，而必須采用BCLK+ ADV#的同步電路譯碼方式。具體方式就是每個(gè)周期的第一個(gè)BCLK下降沿鎖存到有效ADV#，標(biāo)志同步周期的開始，之后經(jīng)過連續(xù)7個(gè)BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。
DMA傳輸時(shí)的CPU負(fù)載率
與純軟件的同步總線周期傳輸相比，DMA傳輸最大的優(yōu)點(diǎn)是有效降低了總線傳輸?shù)腃PU開銷，使應(yīng)用程序的其它線程能同步運(yùn)行。基本的測(cè)試代碼如下：
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#define MAX_DMA_LEN (16*1024) unsignedchar gbuf[64 * 1024]; unsignedint i, count = 1; struct isa_transfer t; unsignedchar *pBuf8; longdouble a[4], b[4], loadavg; //for CPU utilization calculation FILE *fp; constchar *bus_type_name[] = {"async-cpu","async-dma-mem","async-dma-ext","sync-cpu","sync-dma-mem","sync-dma-ext"}; // fill data pBuf8 = (unsignedchar*)gbuf; for(i = 0; i < MAX_DMA_LEN; i++){ *pBuf8 = (unsignedchar)(value + i); pBuf8++; } memset(&t, 0, sizeof(struct isa_transfer)); // get initial values for calculating CPU usage in % fp = fopen("/proc/stat","r"); fscanf(fp,"%*s %Lf %Lf %Lf %Lf",&a[0],&a[1],&a[2],&a[3]); fclose(fp); // write data block loop while(count) { i = (count < MAX_DMA_LEN)? count : MAX_DMA_LEN; t.offset = offset; t.len = i; t.tx_buf = gbuf; isa_write_buf(fd, &t); count -= i; } // get end values for calculating CPU usage in % fp = fopen("/proc/stat","r"); fscanf(fp,"%*s %Lf %Lf %Lf %Lf",&b[0],&b[1],&b[2],&b[3]); fclose(fp); // calculate CPU usage in % loadavg = ((b[0]+b[1]+b[2]) - (a[0]+a[1]+a[2])) /((b[0]+b[1]+b[2]+b[3]) - (a[0]+a[1]+a[2]+a[3])); loadavg *= 100; i = (offset >> 12) & 0xf; printf("%s bus write, CPU utilization is : %Lf%%\n",bus_type_name[i], loadavg); |
使用100M數(shù)據(jù)長度來測(cè)試總的CPU負(fù)載率的情況如下：
| 模式 | MemCpy DMA | 純軟件操作 |
| 同步總線讀 | 6.01% | 50.3% |
| 同步總線寫 | 5.71% | 50.0% |
ESM7000使用的是具有雙核CPU的iMX7D，總CPU負(fù)載率50%，表示某個(gè)CPU核的負(fù)載已經(jīng)100%。DMA的使用對(duì)提高系統(tǒng)整體的性能是非常顯著的。
進(jìn)一步可測(cè)試應(yīng)用層實(shí)際的傳輸速率如下：
| 模式 | 傳輸速率 | CPU負(fù)載 |
| MemCpy DMA同步總線讀 | 8.67MB/s | 6.01% |
| MemCpy DMA同步總線寫 | 7.93MB/s | 5.71% |
若把每個(gè)周期傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)從4個(gè)提升到8個(gè)，傳輸率則可有50%的提升。
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