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rt-thread 驱动篇之串口驱动框架剖析及性能提升

1.00

发布于 2022-01-18 16:00:39 浏览：6878 订阅该版

[tocm]

## 前言

苦串口驱动久矣！

### 现状

串口驱动三种工作模式：轮询、中断、DMA。

轮询模式占用 CPU 最高，但是实现也是最简单的；DMA 占用 CPU 最少，实现也是最麻烦的；中断模式居中。

原串口驱动有以下几个问题：
1. 中断模式，接收有缓存，发送没缓存
2. 中断模式，读操作是非阻塞的，没有阻塞读；写操作因为没有缓存，只能阻塞写，没有非阻塞写。
3. 中断接收过程，每往发送寄存器填充一个字符，就使用完成量等待发送完成中断，通过完成量进行进程调度次数和发送数据量同样多！
4. DMA 模式比较复杂，在实现上更复杂。
  1. 首先，接收有两种缓存方案，一种没有缓存，借用应用层的内存直接做 DMA 接收缓存；一种有缓存，用的和中断模式下相同的 fifo 数据结构。发送只有一种缓存方式，把应用层内存放到数据队列里做发送缓存。
  2. 无论哪种缓存方案，都没有考虑阻塞的问题。而是抛给串口驱动一个内存地址，就返回到应用层了。应用层要么动用 `rt_device_set_rx_indicate` `rt_device_set_tx_complete` 做同步——退化成 poll 模式，失去了 DMA 的优势；要么继续干其它工作——抛给串口驱动的内存可能引入隐患。
  3. 为了防止 DMA 工作的时候又有新的读写需求，

### 对串口驱动的期望

轮询模式不在今天讨论计划内。下面所有的讨论都只涉及中断和 DMA 两种模式。

- 无论哪种工作模式，都应该有至少一级缓存机制。
- 无论哪种工作模式，都应该可以设置成阻塞或者非阻塞。
- 默认是阻塞 io 模式；如果想用非阻塞工作模式，可以通过 open 或者 control 修改。
- 读写阻塞特性是同步的，不存在阻塞写非阻塞读或者非阻塞写阻塞读两种模式。
- 阻塞读的过程是，没有数据永久阻塞；有数据无论多少（小于等于期望数据量），返回读取的数据量。
- 阻塞写的过程是，缓存空间为 0 阻塞等待缓存被释放；缓存空间不足先填满缓存，继续等待缓存被释放；缓存空间足够，把应用层数据拷贝到驱动缓存。最后返回搬到缓存的数据量。
- 非阻塞读的过程是，没有数据返回 0；有数据，从 fifo 拷贝数据到应用层提供的内存，返回拷贝的数据量。
- 非阻塞写的过程是，缓存为 0 ，返回 0；缓存不足返回写成功了多少数据；缓存足够，把数据搬移完，返回写成功的数据量。
- 无论是轮询、中断、DMA 哪种模式，都应该可以实现 STREAM 特性。

### 中断模式下的理论实践

注：以下实现是在 NUC970 上完成的，有些特性可能不是通用的。例如，串口外设自带硬件 fifo ，uart1 是高速 uart 设备，fifo 有 64 字节。uart3 的 fifo 就只有 16 字节。

#### 定义缓存数据结构

为实现上述需求，接收和发送都需要有如下一个 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：别问我为啥不用 ringbuffer

大部分还是借用 `struct rt_serial_rx_fifo` 的实现的。增加了个 `buf_sz` 由 fifo 自己维护自己的缓存容量

针对 fifo 特意定义了三个函数，
`rt_forceinline rt_size_t _serial_fifo_calc_data_len(struct rt_serial_fifo *fifo)` 计算 fifo 中写入的数据量
`rt_forceinline void _serial_fifo_push_data(struct rt_serial_fifo *fifo, rt_uint8_t ch)` 压入一个数据（不完整实现，具体见下文）
`rt_forceinline rt_uint8_t _serial_fifo_pop_data(struct rt_serial_fifo *fifo)` 弹出一个数据（不完整实现，具体见下文）

#### 读设备过程

读设备对应中断接收。
```
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;
}
```

简单说明就是：关中断，计算缓存数据量，如果为空判断是否需要阻塞。拷贝完数据，开中断。
这里需要注意的是，拷贝完数据后 fifo 必然不会是 full 的，`rx_fifo->is_full = RT_FALSE` 这句没有加在 `_serial_fifo_pop_data` 函数，所以上面说它的实现是不完整的。

#### 写设备过程

写设备对应中断发送
```
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) &&                // 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;
}
```

简单说明就是：关中断，计算 fifo 剩余容量，如果空间不足判断是否阻塞。拷贝数据，开中断。
如果数据没拷贝完，继续上述过程，直到所有数据拷贝完成。
上述函数也实现了 STREAM 打开模式，检查 “\r”“\n” 不完整的问题。

特别注意：上述函数并没有执行写“发送寄存器”的操作，开中断前，这里执行了一句 `serial->ops->start_tx(serial)` 用于开启发送过程（这个的实现可能在不同芯片上略有差异）。

#### 中断接收

```
        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：这里的 while 循环是因为 uart 外设自带硬件 fifo。

简单讲就是，有接收中断，就往接收 fifo 中压入数据，如果 fifo 是满的，丢弃掉旧数据。

#### 中断发送

```
        /* 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;
```

先计算是否还有数据要发送，如果没有，调用 `serial->ops->stop_tx(serial)` 对应上面的 `serial->ops->start_tx(serial)` 。
因为硬件自带 fifo ，这里最多可以连续写 64 个字节。
因为发送 fifo 是往外弹出数据的，最后肯定是非满的。

#### 未说明的问题

对于串口设备来讲，接收是非预期的，所以串口接收中断必须一直开着。发送就不一样了，没有发送数据的时候是可以不开发送中断的。
上文中提到的两个 ops `start_tx` `stop_tx` 正是开发送中断使能，关发送中断使能。另外，它俩还有更重要的作用。

在 NUC970 的设计上，只要发送寄存器为空就会有发送完成中断，并不是发送完最后一个字节才产生。正因为这个特性，当开发送中断使能的时候会立马进入中断。在中断里判断是否有数据要发送，刚好可以作为“启动发送”。

对于其它芯片，如果发送中断的含义是“发送完最后一个字节”，仅仅使能发送中断还不够，还需要软件触发发送中断。这是发送不同于接收的最重要的地方。

### DMA 模式下的实现探讨

为什么上一节叫实践，这一节变成探讨了？
第一，笔者还没时间在 NUC970 上完成 DMA 的部分。
第二，有了上面中断模式的铺垫，DMA 模式也是轻车熟路。不觉得 NUC970 的硬件 fifo 就是 DMA 的翻版吗？

DMA 模式需要二级缓存机制。第一级缓存和中断模式用的 fifo 一样。这样 read write 两个函数的实现可以是一样的。
在此基础上，增加一个数组。如下是完整串口设备定义：
```
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;
```

这两个数组作为 DMA 收发过程的缓存。

发送数据时，从 serial_tx 的 fifo 拷贝数据到 serial_dma_tx ，启动 DMA。发送完成后判断 serial_tx 的 fifo 是否还有数据，有数据继续拷贝，直到 fifo 为空关闭 DMA 发送。

接收数据时，在 DMA 中断里拷贝 `serial_dma_rx` 所有数据到 serial_rx 的 fifo 。如果 DMA 中断分完成一半中断和全部传输完成两种中断。可以分成两次中断，每次只处理一半数据，这样每次往 fifo 倒腾数据的时候，还有一半缓冲区可用，也不至于会担心仓促。

我们需要做的工作只有“怎么安全有效启动 DMA 发送”。

### 底层驱动

以上都是串口设备驱动框架部分，下面说说和芯片操作紧密相关的部分

init 函数，负责注册设备到设备树。
configure 函数，负责串口外设初始化，包括波特率、数据位、流控等等。还有个重要的工作就是调用引脚复用配置函数。
control 函数，使能禁用收发等中断。
putc 函数，负责写发送寄存器，写寄存器前一定先判断发送寄存器是否可写是否为空，阻塞等。
getc 函数，负责读接收寄存器，读寄存器前一定先判断是否有有效数据，如果没有返回 -1。
start_tx 函数，使能发送中断，如果发送寄存器为空，触发发送中断。（如果芯片没有这个特性，需要想办法触发发送完成中断）
stop_tx 函数，禁用发送中断。
中断回调函数，负责处理中断，根据中断状态调用 `rt_hw_serial_isr` 函数。

### 实机验证

中断模式在 NUC970 芯片下经过**千万级数据**收发测试的考验。测试环境有如下两种：

1. 非阻塞 io；波特率 9600；串口调试工具：USR-TCP232 ，USR 出的调试工具。
   串口调试工具定时 50ms 发送 30 个字符。NUC970 接收到数据后返回接收到的数据。
2. 阻塞 io；波特率 115200；串口调试工具：USR-TCP232 ，USR 出的调试工具。
   串口调试工具定时 10ms 发送 30 个字符。NUC970 接收到数据后返回接收到的数据。（串口调试助手发送了 200w 字节数据，接收到了相同个数字符！）

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220119/3fd7ebe94e210e0ba52db68bb9c45d9e.png)

## 结论

因为 NUC970 芯片的特殊性，上面虽说使用的是中断模式，其实和 DMA 有点儿类似了。假如是没收发一个字节数据各对应一次中断，中断次数会比较多。

但是，在应用层来看，无论是中断还是 DMA 都是一样的——要么阻塞，要么非阻塞。