RT-Thread驱动篇之串口驱动框架剖析及性能提升

前言：苦串口驱动久矣！

现状

串口驱动三种工作模式：轮询、中断、DMA。

轮询模式占用 CPU 最高，但是实现也是最简单的；DMA 占用 CPU 最少，实现也是最麻烦的；中断模式居中。

原串口驱动有以下几个问题：

1、中断模式，接收有缓存，发送没缓存

2、中断模式，读操作是非阻塞的，没有阻塞读；写操作因为没有缓存，只能阻塞写，没有非阻塞写。

3、中断接收过程，每往发送寄存器填充一个字符，就使用完成量等待发送完成中断，通过完成量进行进程调度次数和发送数据量同样多！

4、DMA 模式比较复杂，在实现上更复杂。

1. 首先，接收有两种缓存方案，一种没有缓存，借用应用层的内存直接做 DMA 接收缓存；一种有缓存，用的和中断模式下相同的 fifo 数据结构。发送只有一种缓存方式，把应用层内存放到数据队列里做发送缓存。

2. 无论哪种缓存方案，都没有考虑阻塞的问题。而是抛给串口驱动一个内存地址，就返回到应用层了。应用层要么动用 rt_device_set_rx_indicate rt_device_set_tx_complete 做同步——退化成 poll 模式，失去了 DMA 的优势；要么继续干其它工作——抛给串口驱动的内存可能引入隐患

3. 为了防止 DMA 工作的时候又有新的读写需求，

对串口驱动的期望

轮询模式不在今天讨论计划内。下面所有的讨论都只涉及中断和 DMA 两种模式。

• 无论哪种工作模式，都应该有至少一级缓存机制。

• 无论哪种工作模式，都应该可以设置成阻塞或者非阻塞。

• 默认是阻塞 io 模式；如果想用非阻塞工作模式，可以通过 open 或者 control 修改。

• 读写阻塞特性是同步的，不存在阻塞写非阻塞读或者非阻塞写阻塞读两种模式。

• 阻塞读的过程是，没有数据永久阻塞；有数据无论多少（小于等于期望数据量），返回读取的数据量。

• 阻塞写的过程是，缓存空间为 0 阻塞等待缓存被释放；缓存空间不足先填满缓存，继续等待缓存被释放；缓存空间足够，把应用层数据拷贝到驱动缓存。最后返回搬到缓存的数据量。

• 非阻塞读的过程是，没有数据返回 0；有数据，从 fifo 拷贝数据到应用层提供的内存，返回拷贝的数据量。

• 非阻塞写的过程是，缓存为 0 ，返回 0；缓存不足返回写成功了多少数据；缓存足够，把数据搬移完，返回写成功的数据量。

• 无论是轮询、中断、DMA 哪种模式，都应该可以实现 STREAM 特性。

中断模式下的理论实践

注：以下实现是在 NUC970 上完成的，有些特性可能不是通用的。例如，串口外设自带硬件 fifo ，uart1 是高速 uart 设备，fifo 有 64 字节。uart3 的 fifo 就只有 16 字节。

定义缓存数据结构

为实现上述需求，接收和发送都需要有如下一个 fifo

1struct rt_serial_fifo
 2{
 3    rt_uint32_t buf_sz;
 4    /* software fifo buffer */
 5    rt_uint8_t *buffer;
 6
 7    rt_uint16_t put_index, get_index;
 8
 9    rt_bool_t is_full;
10};

注：别问我为啥不用 ringbuffer

大部分还是借用 struct rt_serial_rx_fifo 的实现的。增加了个 buf_sz 由 fifo 自己维护自己的缓存容量

针对 fifo 特意定义了三个函数，
rt_forceinline rt_size_t _serial_fifo_calc_data_len(struct rt_serial_fifo *fifo) 计算 fifo 中写入的数据量
rt_forceinline void _serial_fifo_push_data(struct rt_serial_fifo *fifo, rt_uint8_t ch) 压入一个数据（不完整实现，具体见下文）
rt_forceinline rt_uint8_t _serial_fifo_pop_data(struct rt_serial_fifo *fifo) 弹出一个数据（不完整实现，具体见下文）

读设备过程

读设备对应中断接收。

1rt_inline int _serial_int_rx(struct rt_serial_device *serial, rt_uint8_t *data, int length)
 2{
 3    rt_size_t len, size;
 4    struct rt_serial_fifo* rx_fifo;
 5    rt_base_t level;
 6
 7    RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
 8
 9    rx_fifo = (struct rt_serial_fifo*) serial->serial_rx;
10    RT_ASSERT(rx_fifo != RT_NULL);
11
12    /* disable interrupt */
13    level = rt_hw_interrupt_disable();
14
15    len = _serial_fifo_calc_data_len(rx_fifo);
16
17    if ((len == 0) &&                // non-blocking io mode
18        (serial->parent.open_flag &&