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精简ISA总线Linux编程 – Part2    发布时间:2019-3-20 16:51:45    被阅览数:

  精简ISA总线接口是一种8-bit宽度的双向并行扩展总线,其特点是地址数据分时复用8位总线,加上4条总线控制信号,即可实现对外部数据的快速读写。若再使能一条总线时钟信号(共13条信号),就可实现高达10MB/s以上的数据传输。精简ISA总线作为英创主板的特色功能之一,在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型号中均有配置。


  关于对精简ISA总线接口的应用编程的基本方法,请参考《精简ISA总线编程 – Part 1》。本文介绍由应用程序启动基于DMA的数据块读写,即MemCpy方式的DMA。采用DMA进行ISA总线数据传送的目的,是为了降低高速传送大量数据时的CPU开销。MemCpy方式的DMA是指软件线程启动DMA,然后该线程挂起等待DMA操作完成。在多线程环境中,其他线程即可在DMA执行过程中得以并行运行。


  ISA总线信号定义如下:


信号及说明PIN#信号及说明
RESET_B,硬件复位12ISA_ADVn,地址锁存控制信号
ISA_AD0,地址数据总线,LSB34ISA_AD4,地址数据总线
ISA_AD1,地址数据总线56ISA_AD5,地址数据总线
ISA_AD2,地址数据总线78ISA_AD6,地址数据总线
ISA_AD3,地址数据总线910ISA_AD7,地址数据总线,MSB
MSLn,支持多模块挂接总线1112ISA_WEn,数据写控制信号
GPIO9,可选作为IRQ1314ISA_RDn,数据读控制信号
GPIO8,可选作为IRQ1516ISA_CSn,片选控制信号
GPIO25,可选作为IRQ1718VDD_5V0,+5V供电
GPIO24 / ISA_BCLK,同步时钟ISA_BCLK1920GND,电源信号地


  本文以下部分,将以ESM7000 Linux平台为例,介绍具体的编程方法。


DMA总线访问API


  应用启动DMA数据传输,需要使用数据结构struct isa_transfer的传递参数和数据,structisa_transfer的结构定义如下:




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 */

};


  每一个总线周期的操作只能是读或写,因此在isa_transfer结构中只能有一个buffer指针不为NULL。以下是执行32字节数据块写的代码,写入地址为0x4040。顺序的数据可方便时序的观察。



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<t.len; i++){

       *pBuf8 = (unsignedchar)(value + i);

       pBuf8++;

}

isa_write_buf(fd, &t);


  注意offset必须是0x4000 – 0x40FF,驱动程序才会启动MemCpy方式的DMA传输。若从0x4040读入32字节数据,实现代码则为:



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传输总线时序说明


  图1、图2分别为MemCpy方式DMA读总线时序概要、写总线时序概要。


isa_read_buf-dma-1.png

图1 DMA读总线时序


isa_write_buf-dma-1.png

图2 DMA写总线时序


  从上面的时序可见,DMA也是16字节一组,连续4个总线周期组成,每组之间有一定间隔。DMA读操作的总线速率大约为11.8MB/s,DMA写操作的总线速率大约为11.2MB/s。


  展开DMA写的总线时序可看到:


isa_write_buf-dma-2.png

图3 DMA写总线时序—第1组起始部分


 isa_write_buf-dma-3.png

图4 DMA写总线时序—第1组结束部分


 isa_write_buf-dma-4.png

图5 DMA写总线时序—第2组起始部分


isa_write_buf-dma-5.png

图6 DMA写总线时序—第2组结束部分


  在每个总线周期中,地址递增4。这样当传输长度超过256字节时,ISA地址及会循环。这意味着当采用MemCpy方式DMA进行数据传输时,数据端口译码不能采用普通的组合电路地址译码方式,而必须采用BCLK+ ADV#的同步电路译码方式。具体方式就是每个周期的第一个BCLK下降沿锁存到有效ADV#,标志同步周期的开始,之后经过连续7个BCLK下降沿后同步周期结束。


DMA传输时的CPU负载率


  与纯软件的同步总线周期传输相比,DMA传输最大的优点是有效降低了总线传输的CPU开销,使应用程序的其它线程能同步运行。基本的测试代码如下:



#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数据长度来测试总的CPU负载率的情况如下:


模式MemCpy DMA纯软件操作
同步总线读6.01%50.3%
同步总线写5.71%50.0%


  ESM7000使用的是具有双核CPU的iMX7D,总CPU负载率50%,表示某个CPU核的负载已经100%。DMA的使用对提高系统整体的性能是非常显著的。


  进一步可测试应用层实际的传输速率如下:


模式传输速率CPU负载
MemCpy DMA同步总线读8.67MB/s6.01%
MemCpy DMA同步总线写7.93MB/s5.71%


  若把每个周期传输的字节数从4个提升到8个,传输率则可有50%的提升。


  以上是对精简ISA总线基本读写的介绍,有兴趣的客户可与英创公司技术联系,索取完整的测试代码源码。技术支持邮箱:support@

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