振南ZN-X开发板【STM32M3版】模块实验之 SD卡DMA高性能驱动方式

只看该作者 · 2014-10-10 13:59

本帖最后由 znmcu 于 2014-10-10 14:16 编辑

振南网站还在继续美化改进，暂时提供一个平台来发布振南的实验和相关资料！
http://www.znmcu.cn/znx_m3_exp_sd_dma_speed_test.html
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SD卡物理扇区读写硬件SPI与高性能(SPI+DMA)方式

两种驱动方式速度性能比较【STM32 M3版】

实验说明：

《SD卡物理扇区读写实验》中我们使用了两种SPI接口方式，即IO模拟SPI方式与硬件SPI方式，随后我们又对它们的速度性能差异进行了比较与评估。但是它们的扇区读写速度仍然不够理想。借助于STM32内置的DMA控制器，我们可以实现高性能的SD卡物理扇区驱动【关于高性能SD卡驱动，请详见《振南znFAT》一书下册第11章《性能提升，底层突破--高性能SD卡物理驱动》】。

此实验将对高性能SD卡驱动与前面实现的使用硬件SPI方式的SD卡驱动进行速度和性能上的比较。

所需硬件：

此实验中需要的硬件有：

ZN-X开发板基板(STM32 M3版)【也可使用自己的开发板，需要将SD卡模块与开发板通过导线相连，还需要在IO上加10K上拉电阻】

ARM-OB或JLINK仿真器（用于仿真与程序下载）

USB转串口模块(用于串口通信与程序下载)

SD卡读写模块与SD卡

【注：此实验中使用的是SD卡2接口，SD卡1连接的STM32的IO，没有硬件SPI功能，因此SD卡1只能使用IO模拟SPI方式。】

电路原理图及详解：

同《SD卡物理扇区读写实验》。

实验方法与流程：

主要代码如下：读写SD卡的连续10000个扇区，同时使用定时器记录所花费的时间，最终分别计算得到它们的数据读写速度。

unsigned char pbuf[512]; //数据缓冲区

extern unsigned int counter;

int main(void)

{

int i=0,res=0,cnt=0;

u32 tt_sec=0;

delay_init();

uart_init(9600); //串口初始化为9600

printf("串口设置完毕\r\n");

SD2_IOSPI_Init();

TIM3_Int_Init(10000,7200);

while(SD2_Init())

{

cnt++;

printf("SD卡2初始化已尝试%d次\r\n",cnt);

if(cnt>=3) printf("振南ZN-X开发板SD卡2初始化失败\r\n");while(1);

}

printf("振南ZN-X开发板SD卡2初始化成功\r\n");

tt_sec = SD2_GetTotalSec();

printf("SD卡2总扇区:%d\r\n",tt_sec);

printf("SD卡2总容量(MB):%d\r\n",tt_sec>>11);

for(i=0;i<512;i++) pbuf=i;

printf("开始计时....\r\n");

counter=0;

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

for(i=0;i<10000;i++)

{

SD2_Write_Sector(1000+i,pbuf);

}

TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);

printf("停止计时....\r\n");

printf("SD卡2写扇区完成,共花费%d秒\r\n",counter);

printf("扇区数据写速度约为%dKBps\r\n",5120/counter);

printf("开始计时....\r\n");

counter=0;

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

for(i=0;i<10000;i++)

{

SD2_Read_Sector(1000+i,pbuf);

}

TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);

printf("停止计时....\r\n");

printf("SD卡2读扇区完成,共花费%d秒\r\n",counter);

printf("扇区数据读速度约为%dKBps\r\n",5120/counter);

while(1);

}

实验结果如下图所示：

图中左边是硬件SPI方式，右边是高性能驱动(硬件SPI+DMA方式)，显然右边比左边速率要高得多。

《振南znFAT》之《高性能SD卡驱动(DMA方式)》内容节选：

用DMA为数据传输提速：

SD卡驱动效率不高的根本原因就在于数据传输上。请看下图，大家是否能够领会其中含意。

有人可能会说：“为什么会产生非连续的问题？这个所谓的‘间隔’是如何产生的？程序里每次调用SPI读写函数的时候并没有加延时啊。”这个间隔实际上来自于CPU本身。函数的调用、代码的执行、变量的访存等操作都会耗费时间。可以说，在CPU控制SPI接口进行大量数据的收发时，它所作的其实就是一种纯粹的数据搬移。CPU在作这种工作的时候效率是比较低的。请看下图所示。

如果我们能够将这些“间隔”去掉，那就可以实现“连续数据传输”了。但只要有CPU的存在，就势必会产生这个“间隔”，这似乎是一对矛盾。所以我们引入了DMA（直接内存存取），它可以在几乎不需要CPU干预的情况下，完成内存与内存、内存与外设接口之间的直接数据传输。如果把CPU作数据搬移比喻成满是沟壑的乡间小路的话，那么DMA俨然就是平坦的高速公路，甚至是城际特快。因为DMA数据传输基本上是纯粹的硬件行为，它的效率只取决于内存的访问速度、外设接口的通信速度以及硬件时钟频率。DMA的工作流程大体是这样的，如下图所示。

但是DMA是依赖于硬件的，如果我们所使用的CPU芯片没有DMA控制器的话，那自然也就无法实现DMA数据传输功能了。振南的ZN-X开发板上的STM32芯片是支持DMA的，而且它所集成的DMA控制器还远比我们想像得要强大。它有7个完全独立的DMA通道，这就如同在内存与内存或者内存与外设之间同时架起了7座跨海大桥，而且还能同时高速运行。所以振南认为，DMA机制在提高计算机系统的整体性能与数据吞吐量方面功不可没。其实它在现代计算机体系结构中也一直扮演着绝对重要的角色。

高性能SD卡驱动的实现：

既然DMA的性能如此优越，那我们就把它融入到SD卡的驱动中，用它来代替冗长而低效的数据搬移过程。至于DMA的具体代码，其实与上面大同小异，只不过要把目的地址修改为SPI收发器的数据寄存器地址，再对数据传输方向、数据量以及自增方式等参数进行设置即可。我原以为STM32的DMA使用起来是简单而随意的：任何一个DMA通道都可以完成内存与外设接口之间的双向数据传输。导致我花费了大量的时间和精力来与之纠缠。后来我才知道并非如此，在内存与外设接口之间进行DMA传输时，每一个DMA通道都有其特定的传输对象与方向。比如只有通道5才能用于内存到SPI2的DMA传输，即数据的发送；反之则必须使用通道4，即接收来自SPI2的数据（此文中使用STM32芯片的SPI2对SD卡进行驱动）。

【注：完整内容请详见正版图书】

源代码下载：

振南ZN-X开发板SD卡硬件SPI+DMA实现方式数据读写速率测试

振南ZN-X开发板SD卡硬件SPI实现方式数据读写速率测试