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精簡(jiǎn)ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴(kuò)展總線，其特點(diǎn)是地址數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用8位總線，加上4條總線控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的快速讀寫。若再使能一條總線時(shí)鐘信號(hào)（共13條信號(hào)），就可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10MB/s以上的數(shù)據(jù)傳輸。精簡(jiǎn)ISA總線作為英創(chuàng)主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型號(hào)中均有配置。

關(guān)于對(duì)精簡(jiǎn)ISA總線接口的應(yīng)用編程的基本方法，請(qǐng)參考《精簡(jiǎn)ISA總線編程 – Part 1》。本文介紹由應(yīng)用程序啟動(dòng)基于DMA的數(shù)據(jù)塊讀寫，即MemCpy方式的DMA。采用DMA進(jìn)行ISA總線數(shù)據(jù)傳送的目的，是為了降低高速傳送大量數(shù)據(jù)時(shí)的CPU開銷。MemCpy方式的DMA是指軟件線程啟動(dòng)DMA，然后該線程掛起等待DMA操作完成。在多線程環(huán)境中，其他線程即可在DMA執(zhí)行過(guò)程中得以并行運(yùn)行。

ISA總線信號(hào)定義如下：

信號(hào)及說(shuō)明	PIN#	信號(hào)及說(shuō)明
RESET_B，硬件復(fù)位	1	2	ISA_ADVn，地址鎖存控制信號(hào)
ISA_AD0，地址數(shù)據(jù)總線，LSB	3	4	ISA_AD4，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD1，地址數(shù)據(jù)總線	5	6	ISA_AD5，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD2，地址數(shù)據(jù)總線	7	8	ISA_AD6，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD3，地址數(shù)據(jù)總線	9	10	ISA_AD7，地址數(shù)據(jù)總線，MSB
MSLn，支持多模塊掛接總線	11	12	ISA_WEn，數(shù)據(jù)寫控制信號(hào)
GPIO9，可選作為IRQ	13	14	ISA_RDn，數(shù)據(jù)讀控制信號(hào)
GPIO8，可選作為IRQ	15	16	ISA_CSn，片選控制信號(hào)
GPIO25，可選作為IRQ	17	18	VDD_5V0，+5V供電
GPIO24 / ISA_BCLK，同步時(shí)鐘ISA_BCLK	19	20	GND，電源信號(hào)地

本文以下部分，將以ESM7000 Linux平臺(tái)為例，介紹具體的編程方法。

DMA總線訪問(wèn)API

應(yīng)用啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸，需要使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct isa_transfer的傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)，structisa_transfer的結(jié)構(gòu)定義如下：

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 */
};

每一個(gè)總線周期的操作只能是讀或?qū)懀虼嗽趇sa_transfer結(jié)構(gòu)中只能有一個(gè)buffer指針不為NULL。以下是執(zhí)行32字節(jié)數(shù)據(jù)塊寫的代碼，寫入地址為0x4040。順序的數(shù)據(jù)可方便時(shí)序的觀察。

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必須是0x4000 – 0x40FF，驅(qū)動(dòng)程序才會(huì)啟動(dòng)MemCpy方式的DMA傳輸。若從0x4040讀入32字節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)代碼則為：

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傳輸總線時(shí)序說(shuō)明

圖1、圖2分別為MemCpy方式DMA讀總線時(shí)序概要、寫總線時(shí)序概要。

圖1DMA讀總線時(shí)序

圖2DMA寫總線時(shí)序

從上面的時(shí)序可見(jiàn)，DMA也是16字節(jié)一組，連續(xù)4個(gè)總線周期組成，每組之間有一定間隔。DMA讀操作的總線速率大約為11.8MB/s，DMA寫操作的總線速率大約為11.2MB/s。

展開DMA寫的總線時(shí)序可看到：

圖3DMA寫總線時(shí)序—第1組起始部分

圖4DMA寫總線時(shí)序—第1組結(jié)束部分

圖5DMA寫總線時(shí)序—第2組起始部分

圖6DMA寫總線時(shí)序—第2組結(jié)束部分

在每個(gè)總線周期中，地址遞增4。這樣當(dāng)傳輸長(zhǎng)度超過(guò)256字節(jié)時(shí)，ISA地址及會(huì)循環(huán)。這意味著當(dāng)采用MemCpy方式DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)端口譯碼不能采用普通的組合電路地址譯碼方式，而必須采用BCLK+ ADV#的同步電路譯碼方式。具體方式就是每個(gè)周期的第一個(gè)BCLK下降沿鎖存到有效ADV#，標(biāo)志同步周期的開始，之后經(jīng)過(guò)連續(xù)7個(gè)BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。

DMA傳輸時(shí)的CPU負(fù)載率

與純軟件的同步總線周期傳輸相比，DMA傳輸最大的優(yōu)點(diǎn)是有效降低了總線傳輸?shù)腃PU開銷，使應(yīng)用程序的其它線程能同步運(yùn)行。基本的測(cè)試代碼如下：

#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數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)測(cè)試總的CPU負(fù)載率的情況如下：

模式	MemCpy DMA	純軟件操作
同步總線讀	6.01%	50.3%
同步總線寫	5.71%	50.0%

ESM7000使用的是具有雙核CPU的iMX7D，總CPU負(fù)載率50%，表示某個(gè)CPU核的負(fù)載已經(jīng)100%。DMA的使用對(duì)提高系統(tǒng)整體的性能是非常顯著的。

進(jìn)一步可測(cè)試應(yīng)用層實(shí)際的傳輸速率如下：

模式	傳輸速率	CPU負(fù)載
MemCpy DMA同步總線讀	8.67MB/s	6.01%
MemCpy DMA同步總線寫	7.93MB/s	5.71%

若把每個(gè)周期傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)從4個(gè)提升到8個(gè)，傳輸率則可有50%的提升。

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