串口驱动框架剖析及性能提升

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。

a.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。

b.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_indicatert_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。

c.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

 1structrt_serial_fifo
 2{
 3rt_uint32_tbuf_sz;
 4/*softwarefifobuffer*/
 5rt_uint8_t*buffer;
 6
 7rt_uint16_tput_index,get_index;
 8
 9rt_bool_tis_full;
10};

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。

 1rt_inlineint_serial_int_rx(structrt_serial_device*serial,rt_uint8_t*data,intlength)
 2{
 3rt_size_tlen,size;
 4structrt_serial_fifo*rx_fifo;
 5rt_base_tlevel;
 6
 7RT_ASSERT(serial!=RT_NULL);
 8
 9rx_fifo=(structrt_serial_fifo*)serial->serial_rx;
10RT_ASSERT(rx_fifo!=RT_NULL);
11
12/*disableinterrupt*/
13level=rt_hw_interrupt_disable();
14
15len=_serial_fifo_calc_data_len(rx_fifo);
16
17if((len==0)&&//non-blockingiomode
18(serial->parent.open_flag&RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING)==RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING){
19/*enableinterrupt*/
20rt_hw_interrupt_enable(level);
21return0;
22}
23if((len==0)&&//blockingiomode
24(serial->parent.open_flag&RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING)!=RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING){
25do{
26/*enableinterrupt*/
27rt_hw_interrupt_enable(level);
28
29rt_completion_wait(&(serial->completion_rx),RT_WAITING_FOREVER);
30
31/*disableinterrupt*/
32level=rt_hw_interrupt_disable();
33
34len=_serial_fifo_calc_data_len(rx_fifo);
35}while(len==0);
36}
37
38if(len>length){
39len=length;
40}
41
42/*readfromsoftwareFIFO*/
43for(size=0;size< len; size++)
44{
45/*otherwisethere'sthedata:*/
46*data=_serial_fifo_pop_data(rx_fifo);
47data++;
48}
49
50rx_fifo->is_full=RT_FALSE;
51
52/*enableinterrupt*/
53rt_hw_interrupt_enable(level);
54
55returnsize;
56}

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

 1rt_inlineint_serial_int_tx(structrt_serial_device*serial,constrt_uint8_t*data,intlength)
 2{
 3rt_size_tlen,length_t,size;
 4structrt_serial_fifo*tx_fifo;
 5rt_base_tlevel;
 6rt_uint8_tlast_char=0;
 7
 8RT_ASSERT(serial!=RT_NULL);
 9
10tx_fifo=(structrt_serial_fifo*)serial->serial_tx;
11RT_ASSERT(tx_fifo!=RT_NULL);
12
13size=0;
14do{
15length_t=length-size;
16/*disableinterrupt*/
17level=rt_hw_interrupt_disable();
18
19len=tx_fifo->buf_sz-_serial_fifo_calc_data_len(tx_fifo);
20
21if((len==0)&&//non-blockingiomode
22(serial->parent.open_flag&RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING)==RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING){
23/*enableinterrupt*/
24rt_hw_interrupt_enable(level);
25break;
26}
27
28if((len==0)&&//blockingiomode
29(serial->parent.open_flag&RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING)!=RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING){
30/*enableinterrupt*/
31rt_hw_interrupt_enable(level);
32
33rt_completion_wait(&(serial->completion_tx),RT_WAITING_FOREVER);
34
35continue;
36}
37
38if(len>length_t){
39len=length_t;
40}
41/*copytosoftwareFIFO*/
42while(len>0)
43{
44/*
45*tobepolitewithserialconsoleaddalinefeed
46*tothecarriagereturncharacter
47*/
48if(*data=='
'&&
49(serial->parent.open_flag&RT_DEVICE_FLAG_STREAM)==RT_DEVICE_FLAG_STREAM&&
50last_char!='
')
51{
52_serial_fifo_push_data(tx_fifo,'
');
53
54len--;
55if(len==0)break;
56last_char=0;
57}elseif(*data=='
'){
58last_char='
';
59}else{
60last_char=0;
61}
62
63_serial_fifo_push_data(tx_fifo,*data);
64
65data++;len--;size++;
66}
67
68/*ifthenextpositionisreadindex,discardthis'readchar'*/
69if(tx_fifo->put_index==tx_fifo->get_index)
70{
71tx_fifo->is_full=RT_TRUE;
72}
73
74//TODO:starttx
75serial->ops->start_tx(serial);
76
77/*enableinterrupt*/
78rt_hw_interrupt_enable(level);
79}while(size< length);
80
81returnsize;
82}

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

 1while(1){
 2ch=serial->ops->getc(serial);
 3if(ch==-1)break;
 4
 5/*iffifoisfull,discardonebytefirst*/
 6if(rx_fifo->is_full==RT_TRUE){
 7rx_fifo->get_index+=1;
 8if(rx_fifo->get_index>=rx_fifo->buf_sz)rx_fifo->get_index=0;
 9}
10/*pushanewdata*/
11_serial_fifo_push_data(rx_fifo,ch);
12
13/*ifputindexequaltoreadindex,fifoisfull*/
14if(rx_fifo->put_index==rx_fifo->get_index)
15{
16rx_fifo->is_full=RT_TRUE;
17}
18}
19
20rt_completion_done(&(serial->completion_rx));

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opsstart_txstop_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：

 1structrt_serial_device
 2{
 3structrt_deviceparent;
 4
 5conststructrt_uart_ops*ops;
 6structserial_configureconfig;
 7
 8void*serial_rx;
 9void*serial_tx;
10
11rt_uint8_tserial_dma_rx[64];
12rt_uint8_tserial_dma_tx[64];
13
14cb_serial_tx_cb_tx;
15cb_serial_rx_cb_rx;
16
17structrt_completioncompletion_tx;
18structrt_completioncompletion_rx;
19};
20typedefstructrt_serial_devicert_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!)

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。

原文标题：RT-Thread驱动篇之串口驱动框架剖析及性能提升

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审核编辑：汤梓红