高效FIFO串口双机通信在ARM7上的实现

高效FIFO串口双机通信在ARM7上的实现
S3C44B0X(时钟频率为60 MHz)的UART单元提供2个独立的异步串行I/O口，每个通信口均可工作于中断或DMA模式。即UART能产生内部中断请求或DMA请求，在CPU和串行I/O口之间传送数据。它支持高达115.2 Kb/s的传输速率，每1个UART通道包含了2个16位的分别用于接收和发送信号的先进先出(FIFO)通道。S3C44B0X UART包括可编程波特率、红外发送/接收、1个开始位、1个或2个停止位、5/6/7/8位数据宽度和奇偶校验。每个UART包含1个波特率发生器、接收器、发送器和控制单元，其构成如图1所示[1]。 
1  FIFO概述
1．1 FIFO概念
　　先入先出FIFO(First In First Out)，即先被写入到FIFO的数据将会先被读出。它是一片用来缓存数据的存储单元，可以把需要处理的数据先暂存在这片存储单元中，在数据量达到一定数量时再集中处理，以提高系统性能。FIFO可以集成在芯片中，而当系统需要的缓冲区较大时，也可以用单独的RAM实现。S3C44B0X串口收发器包含了16 B的FIFO和数据移位器，将要传输的数据写进FIFO，然后赋值到发送移位器，最后从发送的引脚移位发送出去，达到利用FIFO缓冲区高效通信的目的。
1．2  FIFO意义
　　  FIFO是数据传输系统中极其重要的一环，特别是在2个处于不同时钟域的系统接口部分，FIFO的合理使用，不但能使接口处数据传输的输入输出速率进行有效的匹配，不使数据发生复写、丢失和读入无效数据的情况，而且还会有效地提高系统中数据的传输效率。使用FIFO进行串口通信，较之传统的串口通信有更高的效率。它将要发送和已经接收的数据集中起来进行操作，避免了频繁的总线操作，减轻了CPU的负担。因此，使得基于FIFO方式的串口通信目前应用十分广泛。
1．3  FIFO中断请求
　　S3C44B0X的UART有7个状态(Tx/Rx/Error)信号：溢出错误、奇偶错误、帧错误、断点条件、接收FIFO/Buffer数据准备就绪、发送FIFO/Buffer空和发送移位寄存器空，这些状态信号由相应的UART状态寄存器(UTRSTATn/UERSTATn)声明[1]。
　　当处于接收错误状态时，如果在控制寄存器(UCONn)中接收错误状态中断使能位被置为1，则溢出错误、奇偶校验错误、帧错误及断点错误，每1个作为1种错误状态都可发出错误中断请求。当1个接收错误状态中断请求被发现时，引起中断请求信号会被读UERSTATn所识别。如果控制器中的接收模式被选定为中断模式，则当接收器从接收移位寄存器向接收FIFO传输数据时，会激活接收FIFO的可引起接收中断的“满”状态信号。同样，如果控制器中的发送模式被选定为中断模式，则当发送器从发送FIFO向发送移位寄存器传输数据时，可引起发送中断的发送FIFO“空”状态信号被激活。如表1所示。

2  FIFO串口通信的实现
　　FIFO重启时，输入和输出的指针都指向FIFO中的第1个存储位置。对FIFO的每次写入操作会使输入指针指向FIFO的下1个存储位置，相应地每次读取操作会使FIFO的输出指针指向FIFO的上1个存储位置。若指针需要从最后1个存储位置移动到第1个存储位置，则FIFO会自动实现这一过程而不需要任何对指针的重启操作。FIFO内部除了包含输入和输出端口之外，通常还有其他状态标志输出，如空状态和满状态。当FIFO已空或者已满时，空状态和满状态标志位就会有相应的输出，即当FIFO已空时不能进行读取操作，当FIFO已满时不能进行写入操作[2]。
2.1  配置特殊寄存器
　　 为了使目标系统能正常工作，必须配置相关的寄存器，如I/O口寄存器、串口控制寄存器和串口源/目的寄存器等。S3C44B0X有2个串口，这里以串口0为例，进行相关寄存器的配置。
　　/*I/O口配置，定义各相关引脚功能和上拉电阻状态 */
　　rPCONC |=0xf0000000；
　　rPUPC |=0xc000；
　　rPCONE=(rPCONE &0x3ffeb)|0x28；
　　rPUPE |=0x6； 
　　rPCONF=(rPCONF &0x3ff)+0x124800；
　　rPUPF |=0x1e0；
　　/* 定义串口0工作寄存器组 */
　　rULCON0=0x3； //正常模式，无奇偶校验，1位停止位，8位数据位
　　 rUCON0=0x245；    //Rx为边沿触发，Tx为电平触发，禁
　　 　　　　　　　　　//止超时中断，产生接收错误中断，普通传送、
　　　　　　　　　　　//发送与接收为中断或轮询模式
　　rUFCON0=(2<<6)|(1<<4)|(6)|1； //FIFO启动需先复位
    　rUBRDIV0=(mclk/(baud*16))；  //mclk为60000000，baud为115200
2.2  FIFO串口发送模块
　　  串口数据发送帧格式是可编程的，它包含1个开始位，5~8个数据位，1个可选的奇偶位和1~2个停止位，这些都可以通过线控制寄存器(UCONn)来设置。发送器也能够产生发送中止条件。中止条件迫使串口输出保持在逻辑0状态，这种状态保持超过1个传输帧的时间长度。通常在1帧传输数据完整地传输完之后，再通过这个全0状态将中止信号发送给对方。中止信号发送之后，传送数据将持续地放入到输出FIFO中。要发送的数据被存放在定义的字符串指针uart0TxStr 中，串口发送模块通过读该字符串中的字符进行数据发送，核心源代码如下：
void __irq Uart0_TxFifoInt(void)
{
　　/* 判断FIFO发送缓冲区是否为满或字符串结束 */
　　while( !(rUFSTAT0 & 0x200) && (*uart0TxStr !='/0'))
　　{
　　rUTXH0=*uart0TxStr++；
　　for(i=0；i<700；i++)；  //延迟，防止FIFO误写
　　}
　　rI_ISPC=BIT_UTXD0；
　　if(*uart0TxStr == '/0')
　　{    
              rINTMSK |= BIT_UTXD0； 
              rI_ISPC=BIT_UTXD0； 
     　}
}
2.3  FIFO串口接收模块
　　接收的数据帧格式与发送一样都是可编程的。它包括了1个起始位，5~8个数据位，1个可选的奇偶校验位和1~2个停止位，这些都可以通过线控制寄存器(UCONn)来设置。接收器还可以检测到溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和中止状况，每种情况下都会将1个错误标志置位。
　　 (1)溢出错误表示新的数据已经覆盖了旧的数据，因为旧的数据没有及时被读入。
　　(2)奇偶校验错误表示接收器检测到了意料之外的奇偶校验结果。
　　(3)帧错误表示接收到的数据没有有效的停止位。
　　 (4)中止状况表示RxDn的输入被保持为0状态超过了1个帧传输的时间[3]。
　　 (5)在FIFO模式下接收FIFO不为空，但接收器已经在3个字时间内没有接收到任何数据，就认为发生了接收超时状况。
　　 接收模块将数据从接收移位寄存器中读出后，首先被存储到接收缓存数组keyBuf[ ]中。变量keyBufWrPt和keyBufRdPt指向缓存数组中当前写数据和读数据，当接收模块往缓存数组中写入1个字节后，keyBufWrPt加1；当Uart_IntGetKey从缓存数组中读出1个字节后，keyBufRdPt加1。两变量最大值为KEY_LEN，超过最大值时置零。接收模块的核心代码如下[4]：
/* 接收模块将移位寄存器中的数据读出到接收缓存数组中 */
void __irq Uart0_RxFifoInt(void)
　　{
    　rI_ISPC=BIT_URXD0；
　　if(rUFSTAT0==0)
　　Uart_Printf("time out/n")；
    　while( (rUFSTAT0&0xf) >0 )     //循环直到FIFO
　　　　　　　　　　　　　　　 //发送缓冲区为空
        {
  　　　　keyBuf[keyBufWrPt++]=rURXH0；   //读取接收缓冲区数据存入缓存数组
　　　　  if(keyBufWrPt==KEY_BUFLEN)
　　　      keyBufWrPt=0；
　　}
}
/* 定义1个函数从接收缓存数组中读取数据 */
char Uart_IntGetkey(void)
{
　　 if(keyBufRdPt==KEY_BUFLEN)
　　 keyBufRdPt=0；
        while(keyBufWrPt==keyBufRdPt)；//等待直到FIFO被触发
    　return keyBuf[keyBufRdPt++]；
}
2.4 FIFO容错模块
　　 除了接收FIFO寄存器之外，UART还具有1个状态FIFO。状态FIFO表示了在FIFO寄存器中，哪一个数据被毫无错误地接收。假设UART的FIFO连续接收到A、B、C、D、E字符，并且在接收B字符时发生了帧错误(即该字符没有停止位)，在接收D字符时发生了奇偶校验错。虽然UART错误发生了，但不会产生错误中断，因为含有错误的字符还没有被CPU读取。当字符被读出时错误中断才会发生，而且只有在读出URXHn和UERSTATn寄存器后，FIFO错误状态寄存器才会被清除[5]。容错模块核心代码如下[6]。
void __irq Uart0_RxFifoErrorInt(void)
{
　　 rI_ISPC=BIT_UERR01；
    　Uart_Printf("UERSTAT0=0x%x/n"，rUERSTAT0& 0xf)；
    　while( (rUFSTAT0&0xf) >0 )
　　{
　　　    keyBuf[keyBufWrPt++]=rURXH0；
     　　   if(keyBufWrPt==KEY_BUFLEN)；
  　　　  keyBufWrPt=0；
         }
}
3  实验结果
　　 本实验在S3C44B0X和ADS1.2平台上实现，取得了预期的效果。在同等条件下(忽略温度、电压等外部因素变化)，在带FIFO(FIFO)和不带FIFO(Non-FIFO)时发送和接收所花时间如表2所示。

　　以传输4 KB数据为例，由表2可知，使用FIFO时，发送和接收分别节省0.547 076 s和0.042 832 s时间。假定传输1 bit的数据用时为θs，传输数据量为n，则可知使用FIFO和不使用FIFO两种情况下的用时差为15nθ/16s。由此可见，当传输数据量n越大时，采用FIFO的串口传输模式的用时越少、优越性越明显。这也显示了FIFO在串口传输较大数据量的工程应用中的重要性和必要性。
　　在串口通信应用越来越广的背景下，提高串口通信速度显得格外重要。本文以S3C44B0X微处理器为平台，介绍的基于FIFO的串口双机通信的原理和实现方法，该方法同时也适用于其他配置FIFO缓冲区的微处理器，具有很强的适用性和通用性，在学习、研究的同时，也为工程应用中的串口通信提供了参考模型。