Tại sao không luôn luôn sử dụng DMA để ủng hộ các ngắt với UART trên STM32? [đóng cửa]

Tháng trước tôi đã dành rất nhiều thời gian để UART (cho MIDI) hoạt động với STM (STM32F103C8T6) bằng cách sử dụng các ngắt, nhưng không thành công lắm.

Tuy nhiên, tối nay sử dụng DMA nó hoạt động khá nhanh.

Vì theo như tôi đọc DMA thì nhanh hơn và làm giảm CPU, tại sao không luôn luôn sử dụng DMA để thay thế cho các ngắt? Đặc biệt là trên STM32 dường như có khá nhiều vấn đề.

Tôi đang sử dụng STM32CubeMx / HAL.

Mặc dù DMA làm giảm CPU và do đó có thể giảm độ trễ của các ứng dụng điều khiển ngắt khác chạy trên cùng lõi, có các chi phí liên quan đến nó:

• Chỉ có một số lượng hạn chế các kênh DMA và có những hạn chế về cách các kênh đó có thể tương tác với các thiết bị ngoại vi khác nhau. Một thiết bị ngoại vi khác trên cùng một kênh có thể phù hợp hơn cho việc sử dụng DMA.

  Ví dụ: nếu bạn có chuyển I2C số lượng lớn cứ sau 5ms, thì đây có vẻ là ứng cử viên tốt hơn cho DMA so với lệnh gỡ lỗi không thường xuyên đến trên UART2.

• Thiết lập và duy trì DMA là một chi phí của chính nó. . dù sao, xem bên dưới.)

• DMA có thể sử dụng năng lượng bổ sung , vì nó là một miền khác của lõi cần được đặt xung nhịp. Mặt khác, bạn có thể tạm dừng CPU trong khi quá trình chuyển DMA đang diễn ra, nếu lõi hỗ trợ điều đó.

• DMA yêu cầu bộ đệm hoạt động với (trừ khi bạn đang thực hiện DMA ngoại vi đến ngoại vi), do đó, có một số chi phí bộ nhớ liên quan đến nó.

  (Chi phí bộ nhớ có thể cũng có mặt ở đó khi sử dụng ngắt mỗi nhân vật, nhưng nó cũng có thể tôi nhỏ hơn nhiều hoặc biến mất ở tất cả nếu các thông điệp được giải thích ngay lập tức bên trong ngắt.)

• DMA tạo độ trễ vì CPU chỉ được thông báo khi quá trình truyền hoàn thành / hoàn thành một nửa (xem các câu trả lời khác).

• Ngoại trừ khi truyền dữ liệu vào / từ bộ đệm vòng, bạn cần biết trước số lượng dữ liệu bạn sẽ nhận / gửi.

  • Điều này có thể có nghĩa là cần xử lý các ký tự đầu tiên của tin nhắn bằng cách sử dụng các ngắt cho mỗi ký tự: ví dụ: khi giao tiếp với XBee, trước tiên bạn sẽ đọc loại và kích thước gói và sau đó kích hoạt chuyển DMA vào bộ đệm được phân bổ.

  • Đối với các giao thức khác, điều này có thể hoàn toàn không thể, nếu chúng chỉ sử dụng các dấu phân cách cuối tin nhắn: ví dụ: các giao thức dựa trên văn bản sử dụng '\n'làm dấu phân cách. (Trừ khi thiết bị ngoại vi DMA hỗ trợ khớp trên một ký tự.)

Như bạn có thể thấy, có rất nhiều sự đánh đổi để xem xét ở đây. Một số có liên quan đến các giới hạn phần cứng (số lượng kênh, xung đột với các thiết bị ngoại vi khác, khớp trên các ký tự), một số dựa trên giao thức được sử dụng (dấu phân cách, độ dài đã biết, bộ đệm).

Để thêm một số bằng chứng giai thoại, tôi đã phải đối mặt với tất cả những sự đánh đổi này trong một dự án sở thích sử dụng nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau với các giao thức rất khác nhau. Có một số sự đánh đổi để thực hiện, chủ yếu dựa trên câu hỏi "tôi chuyển bao nhiêu dữ liệu và tôi có thường xuyên làm điều đó không?". Điều này về cơ bản cung cấp cho bạn một ước tính sơ bộ về tác động của chuyển giao điều khiển ngắt đơn giản trên CPU. Do đó, tôi đã ưu tiên chuyển I2C đã nói ở trên cứ sau 5 giây so với chuyển UART cứ sau vài giây sử dụng cùng một kênh DMA. Một lần chuyển UART khác xảy ra thường xuyên hơn và mặt khác có nhiều dữ liệu hơn được ưu tiên hơn một lần chuyển I2C khác, điều này hiếm khi xảy ra hơn. Đó là tất cả sự đánh đổi.

Tất nhiên, sử dụng DMA cũng có những lợi thế, nhưng đó không phải là điều bạn yêu cầu.

Sử dụng DMA thường có nghĩa là bạn không còn bị gián đoạn trên mỗi ký tự, mà chỉ sau khi nhận được "bộ đệm đầy" các ký tự (hoặc được truyền). Điều này làm tăng độ trễ xử lý các ký tự đó - ký tự đầu tiên không được xử lý cho đến khi nhận được ký tự cuối cùng trong bộ đệm.

Độ trễ này có thể là một điều tồi tệ, đặc biệt là trong một ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như MIDI, trong đó một vài ms ở đây và có thể thêm vào các vấn đề nghiêm trọng về khả năng phát cho các buổi biểu diễn trực tiếp.

DMA không phải là sự thay thế cho các ngắt - chúng thường được sử dụng cùng nhau! Ví dụ, nếu bạn đang sử dụng DMA để gửi dữ liệu qua UART, bạn vẫn cần một ngắt để thông báo cho bạn khi gửi xong.

Sử dụng DMA giới thiệu một số câu hỏi và thách thức thú vị ngoài tất cả các cân nhắc khác về sử dụng ngoại vi UART. Tôi sẽ cung cấp cho bạn một vài ví dụ: Giả sử rằng uC của bạn đang ngồi trên xe buýt RS485 (hoặc bất cứ thứ gì) với các thiết bị khác. Có rất nhiều tin nhắn trên xe buýt, một số được dành cho uC của bạn, một số thì không. Ngoài ra, giả sử rằng tất cả các hàng xóm xe buýt nói một giao thức dữ liệu khác nhau, ngụ ý độ dài tin nhắn là khác nhau.

Một số câu hỏi chỉ xuất hiện khi sử dụng DMA là:

• Khi nào thì tôi ngắt lời?
  • Các DMA chỉ thực sự muốn làm gián đoạn khi họ đã chuyển một lượng dữ liệu định sẵn.
  • Bạn sẽ làm gì nếu bạn không bao giờ nhận đủ dữ liệu để kích hoạt ngắt DMA?
• Nếu bạn chỉ nhận được một phần tin nhắn khi DMA bị gián đoạn thì sao?
• Bộ đệm RX của bạn trông như thế nào? Chúng là tuyến tính hay tròn?
  • DMA có thể là một người tham gia bộ đệm tròn bất thường theo nghĩa là nó chỉ tuân theo ranh giới địa chỉ, nhưng không có vấn đề gì thổi qua các con trỏ khác trong hệ thống đệm tròn.

Dù sao, chỉ là thức ăn cho suy nghĩ.

Về phía bên nhận (như tôi nhớ lại) DMA chấm dứt hoặc trên một ký tự khớp hoặc tại số đếm cuối. Một số giao thức và nhiều ứng dụng tương tác không dễ dàng phù hợp với mô hình này và bạn thực sự cần xử lý mọi thứ theo từng ký tự. Các kỹ thuật DMA cũng có thể dễ vỡ nếu liên kết truyền thông không đáng tin cậy, mất một ký tự trong luồng có thể dễ dàng gây rối cho máy trạng thái DMA của bạn.

Tôi đã sử dụng STM32CubeMx / HAL cho một vài dự án và nhận thấy rằng phần mềm xử lý UART mà nó tạo ra có những thiếu sót nhất định ở phía bên nhận.

Khi truyền, bạn thường muốn gửi một khối dữ liệu hoặc dòng văn bản. Trong trường hợp này, bạn biết trước thời gian truyền dữ liệu là bao lâu và vì vậy sử dụng DMA là một giải pháp rõ ràng. Bạn nhận được một ngắt sau khi quá trình truyền hoàn tất và có thể sử dụng chức năng gọi lại hoàn thành UART TX để chỉ ra mã chính của bạn rằng việc truyền hoàn tất và bạn có thể gửi một khối dữ liệu khác.

Khi nói đến nhận dữ liệu, các chức năng do ST cung cấp đều cho rằng bạn biết thiết bị gửi sẽ cung cấp cho bạn bao nhiêu ký tự trước khi bắt đầu gửi. Thông thường điều này không được biết đến. Chức năng ngắt đặt dữ liệu nhận được vào bộ đệm và chỉ cho biết rằng có sẵn dữ liệu khi số lượng ký tự được xác định trước đã được nhận. Nếu bạn cố gắng sử dụng chức năng DMA hoặc ngắt để nhận dữ liệu bằng cách thiết lập chuyển ký tự đơn liên tiếp thì thời gian thiết lập cho mỗi ký tự này sẽ có nghĩa là bạn sẽ mất các ký tự ở bất cứ thứ gì ngoài tốc độ dữ liệu chậm nhất (tốc độ baud mà bạn sẽ bắt đầu mất dữ liệu sẽ phụ thuộc vào tốc độ xung nhịp của bộ xử lý của bạn) và sẽ tải bộ xử lý quá mức, không để lại chu trình hướng dẫn cho bất kỳ quá trình xử lý nào khác

Để làm tròn điều này, tôi đã viết hàm xử lý ngắt riêng của mình lưu trữ dữ liệu trong một bộ đệm tròn cục bộ nhỏ và đặt số đếm được đọc bởi mã chính (một semaphore đếm RTOS) để chỉ ra rằng đã có dữ liệu nhận được. Mã chính sau đó có thể thu thập dữ liệu từ bộ đệm này một cách thoải mái, không có vấn đề gì nếu có một số chậm trễ trong việc thu thập dữ liệu với điều kiện bộ đệm cục bộ không bị tràn ra trước khi dữ liệu được thu thập.