精簡ISA總線Linux編程 – Part3
精簡ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴展總線，其特點是地址數據分時復用8位總線，加上4條總線控制信號，即可實現對外部數據的快速讀寫。若再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），就可實現高達10MB/s以上的數據傳輸。精簡ISA總線作為英創主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型號中均有配置。
關于對精簡ISA總線接口的應用編程的基本方法，請參考《精簡ISA總線編程– Part 1》；應用程序直接啟動DMA做定長數據的傳送方法，請參考《精簡ISA總線編程– Part 2》。本文介紹由外部硬件觸發DMA傳送，應用程序通過ISA驅動（/dev/em_isa）讀取采集數據的方法。
硬件DMA的基本工作原理
下圖是基于硬件DMA實現高速數據采集功能的系統框圖：
● 應用程序通過常規的異步ISA讀寫操作，對AD采集單元進行必要配置。
● 通過特殊的isa_write_buf(..)操作啟動硬件DMA。
● 當AD采集單元轉換數據準備好，發出DMA請求信號（DMAREQ置高，脈沖寬度400ns – 1000ns）。
● DMA控制器感受到DMAREQ信號，連續產生4個同步總線周期，讀取AD單元內已準備好的數據，每個同步周期讀取2個字節，共讀取8個字節。從DMAREQ請求開始，到DMA數據傳輸完畢，整個過程大約1840ns。之后DMA將等待一下一個DMAREQ脈沖信號。
● DMA讀取的數據將自動存入驅動程序內部的環形Buffer中，當DMA讀取的數據達到一定閾值（4KB）時，驅動將通過事件觸發應用程序讀取整塊數據。
由于AD單元中的數據是通過DMA硬件存入系統緩沖區的，由此產生的CPU開銷就很低。應用程序可在數據采集的同時，完成必要的數據處理、顯示、通訊等功能塊。另一方面，由于AD采集單元不再需要保存轉換的數據，可有效降低硬件成本。
實現基于硬件DMA的數據采集，需要以下信號：
| ESM7000信號管腳 | 實際信號功能 |
ISA_AD0 | ISA地址數據總線，LSB |
| ISA_AD1 | ISA地址數據總線 |
ISA_AD2 | ISA地址數據總線 |
| ISA_AD3 | ISA地址數據總線 |
ISA_AD4 | ISA地址數據總線 |
| ISA_AD5 | ISA地址數據總線 |
ISA_AD6 | ISA地址數據總線 |
| ISA_AD7 | ISA地址數據總線，MSB |
ISA_CSn | ISA片選控制信號CS，低電平有效 |
| GPIO24 | ISA同步總線周期時鐘BCLK |
ISA_ADVn | ISA地址鎖存控制信號ADV，低電平有效 |
| ISA_RDn | ISA數據讀控制信號RD，低電平有效 |
ISA_WEn | ISA數據寫控制信號WE，低電平有效 |
| GPIO12 | DMA請求信號DMAREQ，輸入，高電平有效 |
注意：在使用硬件DMA數據傳輸時，將禁止使用掛角GPIO12和GPIO24的GPIO功能、禁止使用CAN2端口。
DMA傳輸總線時序說明
圖1是一次完整的DMA傳輸總體時序圖。
圖1 硬件DMA傳輸總線時序
從上面的時序可見，DMAREQ請求開始，到第一個總線周期，大約有640ns的延時。整個傳輸周期大約1840ns。按2000ns計算，采用硬件DMA傳輸，可實現每秒4MB字節的數據傳輸率。若假設4路模擬通道，每個樣點16-bit量化，這樣就對應每通道500ksps的采樣率。這樣的采樣率可滿足絕大部分的工控應用需求。展開圖1觀察，可見：
圖2 硬件觸發DMA傳輸時序前半部分
圖3 硬件觸發DMA傳輸時序后半部分
從上面的時序圖可見，有DMA啟動的總線周期，每個周期只有6個BCLK脈沖，讀取2個數據字節。這與在《精簡ISA總線編程– Part 2》中介紹的CPU啟動的DMA操作不同。在使用時需特別注意。DMAREQ的脈沖寬度有一定要求：DMAREQ脈沖寬度應大于240ns，才能保證可靠觸發DMA，其次DMAREQ應在DMA傳輸周期結束前變低，否則可能誤觸發下一次DMA傳輸。
每個總線周期詳細的時序關系如下：
圖4 硬件觸發DMA總線周期時序
圖5 硬件觸發DMA總線周期時序參數標注
為了簡化AD采集單元的電路設計，硬件觸發DMA傳輸總線周期輸出的地址固定在0xE0。AD采集單元的其他寄存器應避免使用0xE0 – 0xE1這兩個地址。
應用程序設計要點
應用程序啟動DMA數據傳輸，需要使用數據結構struct isa_transfer的傳遞參數和數據，struct isa_transfer的結構定義如下：
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 */
}; 啟動硬件觸發DMA傳輸，需要特殊的寫操作，代碼如下：
structisa_transfer t; // start ext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0xFFFFFFFF; isa_write_buf(fd, &t);
注意在上述代碼中t.rx_buf和t.tx_buf均必須為空。停止硬件觸發DMA傳輸的代碼為：
structisa_transfer t; // stopext-trigger dma memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x50E0; t.len = 0; isa_write_buf(fd, &t);
在啟動DMA后，應用程序的數據接收線程需調用poll等待數據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…. 讀取數據的代碼為：
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);
}有興趣的客戶可與英創公司技術聯系，索取完整的測試代碼源碼。技術支持郵箱：support@emtronix.com。