英创信息技术精简ISA总线Linux编程 – Part2简介

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	1	2	ISA_ADVn，地址锁存控制信号
ISA_AD0，地址数据总线，LSB	3	4	ISA_AD4，地址数据总线
ISA_AD1，地址数据总线	5	6	ISA_AD5，地址数据总线
ISA_AD2，地址数据总线	7	8	ISA_AD6，地址数据总线
ISA_AD3，地址数据总线	9	10	ISA_AD7，地址数据总线，MSB
MSLn，支持多模块挂接总线	11	12	ISA_WEn，数据写控制信号
GPIO9，可选作为IRQ	13	14	ISA_RDn，数据读控制信号
GPIO8，可选作为IRQ	15	16	ISA_CSn，片选控制信号
GPIO25，可选作为IRQ	17	18	VDD_5V0，+5V供电
GPIO24 / ISA_BCLK，同步时钟ISA_BCLK	19	20	GND，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        *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。

图1　DMA读总线时序

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：

图3　DMA写总线时序—第1组起始部分

图4　DMA写总线时序—第1组结束部分

图5　DMA写总线时序—第2组起始部分

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/s	6.01%
MemCpy DMA同步总线写	7.93MB/s	5.71%

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。