英创信息技术精简ISA总线Linux编程 – Part3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》；应用程序直接启动DMA做定长数据的传送方法，请参考《精简ISA总线编程– Part 2》。本文介绍由外部硬件触发DMA传送，应用程序通过ISA驱动（/dev/em_isa）读取采集数据的方法。

硬件DMA的基本工作原理

下图是基于硬件DMA实现高速数据采集功能的系统框图：

●　应用程序通过常规的异步ISA读写操作，对AD采集单元进行必要配置。

●　通过特殊的isa_write_buf(..)操作启动硬件DMA。

●　当AD采集单元转换数据准备好，发出DMA请求信号（DMAREQ置高，脉冲宽度400ns – 1000ns）。

●　DMA控制器感受到DMAREQ信号，连续产生4个同步总线周期，读取AD单元内已准备好的数据，每个同步周期读取2个字节，共读取8个字节。从DMAREQ请求开始，到DMA数据传输完毕，整个过程大约1840ns。之后DMA将等待一下一个DMAREQ脉冲信号。

●　DMA读取的数据将自动存入驱动程序内部的环形Buffer中，当DMA读取的数据达到一定阈值（4KB）时，驱动将通过事件触发应用程序读取整块数据。

由于AD单元中的数据是通过DMA硬件存入系统缓冲区的，由此产生的CPU开销就很低。应用程序可在数据采集的同时，完成必要的数据处理、显示、通讯等功能块。另一方面，由于AD采集单元不再需要保存转换的数据，可有效降低硬件成本。

实现基于硬件DMA的数据采集，需要以下信号：

ESM7000信号管脚	实际信号功能
ISA_AD0	ISA地址数据总线，LSB
ISA_AD1	ISA地址数据总线
ISA_AD2	ISA地址数据总线
ISA_AD3	ISA地址数据总线
ISA_AD4	ISA地址数据总线
ISA_AD5	ISA地址数据总线
ISA_AD6	ISA地址数据总线
ISA_AD7	ISA地址数据总线，MSB
ISA_CSn	ISA片选控制信号CS，低电平有效
GPIO24	ISA同步总线周期时钟BCLK
ISA_ADVn	ISA地址锁存控制信号ADV，低电平有效
ISA_RDn	ISA数据读控制信号RD，低电平有效
ISA_WEn	ISA数据写控制信号WE，低电平有效
GPIO12	DMA请求信号DMAREQ，输入，高电平有效

注意：在使用硬件DMA数据传输时，将禁止使用挂角GPIO12和GPIO24的GPIO功能、禁止使用CAN2端口。

DMA传输总线时序说明

图1是一次完整的DMA传输总体时序图。

图1　硬件DMA传输总线时序

从上面的时序可见，DMAREQ请求开始，到第一个总线周期，大约有640ns的延时。整个传输周期大约1840ns。按2000ns计算，采用硬件DMA传输，可实现每秒4MB字节的数据传输率。若假设4路模拟通道，每个样点16-bit量化，这样就对应每通道500ksps的采样率。这样的采样率可满足绝大部分的工控应用需求。展开图1观察，可见：

图2　硬件触发DMA传输时序前半部分

图3　硬件触发DMA传输时序后半部分

从上面的时序图可见，有DMA启动的总线周期，每个周期只有6个BCLK脉冲，读取2个数据字节。这与在《精简ISA总线编程– Part 2》中介绍的CPU启动的DMA操作不同。在使用时需特别注意。DMAREQ的脉冲宽度有一定要求：DMAREQ脉冲宽度应大于240ns，才能保证可靠触发DMA，其次DMAREQ应在DMA传输周期结束前变低，否则可能误触发下一次DMA传输。

每个总线周期详细的时序关系如下：

图4　硬件触发DMA总线周期时序

图5　硬件触发DMA总线周期时序参数标注

为了简化AD采集单元的电路设计，硬件触发DMA传输总线周期输出的地址固定在0xE0。AD采集单元的其他寄存器应避免使用0xE0 – 0xE1这两个地址。

应用程序设计要点

应用程序启动DMA数据传输，需要使用数据结构struct isa_transfer的传递参数和数据，struct isa_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 */ };

启动硬件触发DMA传输，需要特殊的写操作，代码如下：

structisa_transfer      t; // start ext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0xFFFFFFFF;            isa_write_buf(fd, &t);

注意在上述代码中t.rx_buf和t.tx_buf均必须为空。停止硬件触发DMA传输的代码为：

structisa_transfer      t; // stopext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0; isa_write_buf(fd, &t);

在启动DMA后，应用程序的数据接收线程需调用poll等待数据ready的消息：

structpollfdfds[1]; fds[0].fd = fd; fds[0].events = POLLPRI; // wait data ready with timeout 2 seconds if(poll(fds, 1, 2) == -1) { perror("poll failed!\n"); goto error;     } // data is ready….

读取数据的代码为：

intrc, total_bytes; structisa_transfer      t; externunsignedchargbuf[64 * 1024]; total_bytes = 0; memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); // read data t.rx_buf = gbuf; t.offset = offset; t.len = sizeof(gbuf); rc = read(fd, &t, sizeof(structisa_transfer)); if(rc< 0) {        printf("%s dma data read failed %d\n", __func__, rc); } elseif(rc> 0) {        total_bytes += rc;        printf("%s dma data read %d\n", __func__, total_bytes); }