痞子衡嵌入式：在i.MXRTxxx下使能DMA鏈式傳輸可達到SPI從設備接收速率上限50Mbps

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT下使能DMA鏈式傳輸可達到SPI從設備接收速率上限50Mbps。

　　最近痞子衡在幫一個 RT600 的 AR 眼鏡客戶優化 SPI 從設備接收數據的速率，我們知道 SPI 從設備接收數據方法一般有三種：1) 輪詢模式，2) 中斷模式，3) DMA 模式。前兩種模式都會受到 CPU 性能的限制，而 DMA 模式則可以最大程度地降低 CPU 負載，提高數據傳輸效率以及速率。

　　然而使用 DMA 傳輸也會有潛在問題，單次 DMA 傳輸數據長度有上限（受限于 DMA 通道緩沖區長度），如果在一次 DMA 傳輸結束之后才開始手動啟動下一次 DMA 傳輸，中間的延遲則有可能導致漏收數據，這時我們就需要使用 DMA 鏈式傳輸（Linked Transfer）來解決潛在漏收數據問題。這便是今天我們要討論的話題：

• Note1：本文方法主要針對 RT500/600 上的 DMA（又稱LPC_DMA），其來自于恩智浦 LPC 系列。
• Note2：RT700/RT4digits 上的 eDMA 與 LPC_DMA 完全不同，其來自于原飛思卡爾 Kinetis 系列（KL25 DMA是第一代，K60 eDMA算第二代）。

一、Flexcomm SPI速率

　　在討論這個話題之前，我們先來看一下 RT500/600 上的 SPI 外設本身速率。我們知道 RT3digits 上有一個非常神奇的外設 Flexcomm（與之對應的是 RT4digits 上的 FlexIO），這個外設可以按照用戶需求被配置成 USART, SPI, I2C 或者 I2S 外設功能之一。

　　RT3digits 內部一般會有多個 Flexcomm，而其本身又分為普通和專用兩種類型：普通 Flexcomm 內部結構復雜，因為外設功能配置靈活性而稍稍放棄了一點傳輸性能；專用 Flexcomm 則限定用于特定外設功能，放棄了靈活性，但是傳輸性能更高。下面是芯片數據手冊里找到的 SPI 速率：

二、為什么必須要用DMA？

　　下圖是 Flexcomm 模塊簡圖，其內部對于收發均配置了一個深度為 8 entries 的 FIFO（對于 SPI frame 長度硬件上能直接支持 4-16 bits，所以這里 entries 是以 frame 長度為單位。如果配置為最常用的 8bits frame，那 FIFO 就能緩存 8bytes 數據），有一定的數據緩存能力，不至于因 CPU 響應不及而立即漏數據。

　　文章開頭說了 SPI 從設備接收數據方法有三種，我們來一一具體分析：

• 輪詢方式： CPU 每隔一段時間就來讀一次 SPI RX FIFO 狀態寄存器，一旦有數據就立刻取走，這種方法能夠達到速率上限 50Mbps，但是代價是 275/300MHz 的 CPU 需要付出相當大的負載地在這輪詢 SPI RX FIFO 寄存器狀態，這對于應用程序設計太不友好，稍稍不慎就會漏數據，顯得匆匆忙忙，一般不會這么用。
• 中斷方式： 預先設置一下 SPI RX FIFO 的 level trigger point（1-8 entries），當 RX FIFO 中數據達到這個水平時就觸發中斷，在 ISR 里把數據取走。這種方法可以降低 CPU 負載，但是由于 Cortex-M33 中斷延遲較大，再加上 ISR 代碼執行時間消耗導致可能達不到速率上限 50Mbps（理想情況下需要 FIFO 觸發設 4 entries，然后一次 ISR 讀取 4 個 entries 數據），ISR 加點代碼都需要謹慎，顯得小心翼翼，因此也不太推薦。
• DMA方式： 利用 DMA 來自動搬運 SPI RX FIFO 中的數據到指定 Buffer 中（最長 1024 個 SPI frame），完全不需要 CPU 參與，這種方式可以最大程度地降低 CPU 負載，并且可以輕松達到 50Mbps 的速率上限，此時才算是游刃有余，唯一需要注意的是，單次 DMA 傳輸長度有上限，需要使用 DMA 鏈式傳輸來避免數據漏收。

三、LPC_DMA功能介紹

　　看起來這種情況下 DMA 是必須要用了，那我們就來簡單了解一下 LPC_DMA 功能，下圖是其原理框圖。首先我們要知道一個 DMA 會包含多個 channel（RT600 上是 33 個，RT500上是 37 個），各 channel 均可以獨立工作（當然也可以合作）。對于每個 channel 獨立工作，我們需要重點了解四個最基本的概念：

• src/dest data： DMA 本質上是數據搬運，從源地址到目的地址，源/目的地址既可以是一般內存，也可以是外設寄存器，因此從類型上就分為：內存->內存、內存->外設、外設->內存、外設->外設（這種類型一般需要特殊設計，RT3digits 不直接支持）。
• XFER Count： 一次 DMA 傳輸搬運的數據量，是可配置的，RT500/600 里上限均是 1024 個 units（每個 unit 長度 8/16/32bits 可配）。
• DMA requests： 指 DMA 數據搬運涉及外設寄存器時，源/目的地址對應哪種外設，這里每個 channel 設計是定死的，比如 RT600 上 DMA0 channel 26 僅能接收 Flexcomm 14 SPI 的 RX 請求。
• DMA triggers： 指觸發 DMA 開始工作的條件，每個 channel 相同，除了最基本的軟件直接觸發之外，均可以配置不同硬件觸發條件（RT600 上是 25 個，RT500 上是 27 個），這些硬件觸發條件包含各種外設中斷、其他 DMA channel trigger output 等。

　　了解了 DMA 基本概念，我們還需要再進一步了解下 DMA 數據傳輸的幾種方式（這里均針對單 channel 而言）：

• Single buffer： 這是最基礎的單次 DMA 傳輸方式（一般用于內存到內存），并且源/目的地址均是線性不間隔增長。
• Linked transfers： 這是將多次 DMA 傳輸串起來（數量不限，僅受限于內存容量，即只要你有足夠的 Buffer），一次傳輸結束自動轉到下一次傳輸。這里包含了一個非常常用的場景：當僅串 2 次 DMA 傳輸時（利用雙 Buffer 循環工作），這叫乒乓傳輸（Ping-pong Transfer）。
• Interleaved transfers： 這是一種特殊的 DMA 傳輸方式，可建立在 Linked transfers 基礎之上，但是源/目標地址增長可按一定步長，適用于預處理音頻/圖像數據場合（比如二維圖像數據里僅提取每行/列數據，多通道音頻數據里僅提取單通道數據）。

　　有了上面的鋪墊，現在我們很自然地想到可以把多個 DMA channel 串起來一起工作，channel A 完成觸發 channel B 繼續工作，那就是所謂的 Channel chaining 模式。此外，雖然原則上多個 channel 可以并行工作，但是如果涉及到總線帶寬限制或者內存訪問沖突，我們還可以為其設置響應優先級，RT500/600 上一共支持 8 檔優先級（每次仲裁時始終從最高優先級 channel 開始檢查，并選擇第一個處于激活狀態的 channel 進行服務）。

四、使能SPI DMA鏈式傳輸方法

　　關于 DMA 本身的鏈式傳輸示例可直接參考 \SDK_25_09_00_EVK-MIMXRT685\boards\evkmimxrt685\driver_examples\dma\linked_transfer 例程，這個例程設計非常簡單清晰，代碼過程一目了然，實現的功能就是將 s_srcBuffer1 和 s_srcBuffer2 數據往 s_destBuffer 里搬，如果 DMA_Callback 里不做任何處理，那么將會一直循環搬移。

#include "fsl_dma.h"
static dma_handle_t s_DMA_Handle;
SDK_ALIGN(dma_descriptor_t s_dma_table[2], 16U);
SDK_ALIGN(uint32_t s_srcBuffer1[4], sizeof(uint32_t));
SDK_ALIGN(uint32_t s_srcBuffer2[4], sizeof(uint32_t));
SDK_ALIGN(uint32_t s_destBuffer[8], sizeof(uint32_t));
// 一次 DMA 傳輸結束用戶回調（對應一個 DMA 傳輸描述符里的工作）
void DMA_Callback(dma_handle_t *handle, void *param, bool transferDone, uint32_t tcds)
{
    // Do someting
}
// 初始化 DMA0 通道 0
DMA_Init(DMA0);
DMA_CreateHandle(&s_DMA_Handle, DMA0, 0);
DMA_EnableChannel(DMA0, 0);
DMA_SetCallback(&s_DMA_Handle, DMA_Callback, NULL);
// DMA 傳輸屬性配置（uint大小為4bytes，源和目標地址均按1個unit自增，一次傳輸16bytes，使能reload特性和INTB）
uint32_t xferCfg = DMA_SetChannelXferConfig(true, false, false, true, 4U, kDMA_AddressInterleave1xWidth, kDMA_AddressInterleave1xWidth, 16U);
// 初始化兩個 DMA 傳輸描述符，并且將其互相鏈接
DMA_SetupDescriptor(&(s_dma_table[0]), xferCfg, s_srcBuffer1, &s_destBuffer[0], &(s_dma_table[1]));
DMA_SetupDescriptor(&(s_dma_table[1]), xferCfg, s_srcBuffer2, &s_destBuffer[4], &(s_dma_table[0]));
// 將第一個 DMA 傳輸描述符賦給 DMA0 通道 0
DMA_SubmitChannelDescriptor(&s_DMA_Handle, &(s_dma_table[0]));
// 軟件觸發 DMA0 通道 0 開始工作
DMA_StartTransfer(&s_DMA_Handle);

　　但是很遺憾的是 SDK 中并沒有現成的 SPI RX DMA 鏈式傳輸例程，在僅有的 \SDK_25_09_00_EVK-MIMXRT685\boards\evkmimxrt685\driver_examples\spi\dma_b2b_transfer\slave\ 例程里，它也僅是啟動單次傳輸，查看其代碼，我們發現根本原因是 fsl_spi_dma.c 驅動（V2.2.2）里從設計上就不支持鏈式傳輸。

SPI_SlaveTransferDMA() -> SPI_MasterTransferDMA() ->
    SPI_TransferSetupRxContextDMA(handle, xfer);
    SPI_EnableRxDMA(base, true);
    SPI_TransferSubmitNextRxDMA(base, handle);  // 問題出在這個函數設計上
    handle->rxInProgress = true;
    DMA_StartTransfer(handle->rxHandle);

　　在 SPI_TransferSubmitNextRxDMA() 函數里，其默認使用內部 s_dma_descriptor_table 描述符，每次只提交單次 DMA 傳輸，禁止了 reload 功能，這個函數顯然是為了被多次調用去連續順序數據傳輸而設計的，因此要想實現 DMA 鏈式傳輸，我們必須改造這個函數。

　　具體改造過程，痞子衡就不一一贅述了，大家直接看下面代碼吧，只是改造過程中還是有一些坑需要注意的，這些都是痞子衡調試時的血淚教訓。

https://github.com/JayHeng/perf-rt600-fcspi-dma-linked-transfer/blob/main/devices/MIMXRT685S/drivers/fsl_spi_dma.c

坑1：鏈式傳輸時 DMA_SubmitTransfer() 函數里不能判斷 DMA_ChannelIsActive()，否則初始化提交第二個 DMA 傳輸描述符時會直接返回 busy
坑2：鏈式傳輸時 SPI_TransferRxHandlerDMA() 中斷處理要重新設計，不要根據 rxInProgress、rxRemainingBytes 狀態來決定是否調用用戶回調函數
坑3：鏈式傳輸時 spiHandle->state 狀態不要在中斷里改變成 kSPI_Idle 狀態，否則 SPI_MasterTransferGetCountDMA() 函數會失效

　　至此，i.MXRT下使能DMA鏈式傳輸可達到SPI從設備接收速率上限50Mbps痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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