¿Por qué no utilizar siempre DMA en favor de las interrupciones con UART en STM32?

Question

El mes pasado pasé mucho tiempo consiguiendo que la UART (para MIDI) funcionara con un STM (STM32F103C8T6) usando interrupciones, sin mucho éxito.

Sin embargo, esta tarde usando DMA ha funcionado bastante rápido.

Ya que por lo que leo DMA es más rápido y alivia a la CPU, ¿por qué no usar siempre DMA en favor de las interrupciones? Sobre todo porque en el STM32 parece que hay bastantes problemas.

Estoy usando STM32CubeMx/HAL.

Answer 1

Aunque el DMA alivia a la CPU y, por tanto, puede reducir la latencia de otras aplicaciones basadas en interrupciones que se ejecutan en el mismo núcleo, hay costes asociados a él:

• Sólo hay un cantidad limitada de canales DMA y hay limitaciones en la forma en que esos canales pueden interactuar con los diferentes periféricos. Otro periférico en el mismo canal puede ser más adecuado para el uso de DMA.

  Por ejemplo, si tienes una transferencia I2C masiva cada 5ms, esto parece un mejor candidato para DMA que un comando de depuración ocasional que llega a UART2.

• Configuración y mantener la AMD es un coste por sí mismo. (Normalmente, la configuración de DMA se considera más compleja que la configuración de una transferencia normal por carácter impulsada por interrupción, debido a la gestión de la memoria, a que hay más periféricos implicados, a que DMA utiliza interrupciones por sí mismo y a la posibilidad de que necesites analizar los primeros caracteres fuera de DMA de todos modos, ver más abajo).

• La DMA puede utilizar energía adicional ya que se trata de otro dominio del núcleo que hay que cronometrar. Por otro lado, puedes suspender la CPU mientras la transferencia DMA está en progreso, si el núcleo lo soporta.

• La DMA requiere búferes de memoria para trabajar (a menos que estés haciendo DMA de periférico a periférico), por lo que hay algún coste de memoria asociado.

  (El coste de la memoria puede también estar ahí cuando se usan interrupciones por carácter, pero también puede yo mucho más pequeño o desaparecer del todo si los mensajes se interpretan enseguida dentro de la interrupción).

• La DMA produce un latencia porque la CPU sólo recibe una notificación cuando la transferencia está completa/medio completa (ver las otras respuestas).

• Excepto cuando se transmiten datos a/desde un búfer en anillo, se necesita saber de antemano cuántos datos que va a recibir/enviar.

  • Esto puede significar que es necesario procesar los primeros caracteres de un mensaje utilizando interrupciones por carácter: por ejemplo, cuando se interconecta con un XBee, primero se lee el tipo y el tamaño del paquete y luego se activa una transferencia DMA a un búfer asignado.

  • Para otros protocolos, esto puede no ser posible en absoluto, si sólo utilizan delimitadores de fin de mensaje: por ejemplo, los protocolos basados en texto que utilizan '\n' como delimitador. (A menos que el periférico DMA admita la coincidencia con un carácter).

Como puedes ver, hay que tener en cuenta muchas compensaciones. Algunas están relacionadas con las limitaciones del hardware (número de canales, conflictos con otros periféricos, coincidencia de caracteres), otras se basan en el protocolo utilizado (delimitadores, longitud conocida, búferes de memoria).

Para añadir algunas pruebas anecdóticas, me he enfrentado a todas estas compensaciones en un proyecto de hobby que utilizaba muchos periféricos diferentes con protocolos muy distintos. Había que hacer algunas concesiones, sobre todo basadas en la pregunta "¿cuántos datos voy a transferir y con qué frecuencia voy a hacerlo?". Esto te da esencialmente una estimación aproximada del impacto de una simple transferencia basada en interrupciones en la CPU. Así, di prioridad a la mencionada transferencia I2C cada 5ms sobre la transferencia UART cada pocos segundos que utilizaba el mismo canal DMA. Otra transferencia UART que ocurre más a menudo y con más datos, por otro lado, tiene prioridad sobre otra transferencia I2C que ocurre más raramente. Todo son compensaciones.

Por supuesto, el uso de DMA también tiene ventajas, pero eso no es lo que has pedido.

Answer 2

El uso de DMA suele significar que ya no se produce una interrupción en cada carácter, sino sólo después de que se haya recibido (o transmitido) un "búfer lleno" de caracteres. Esto aumenta la latencia del procesamiento de esos caracteres: el primer carácter no se procesa hasta que se ha recibido el último carácter del búfer.

Esta latencia puede ser algo malo, especialmente en una aplicación sensible a la latencia como la MIDI, donde unos pocos ms aquí y allá pueden suponer graves problemas de reproducción en las actuaciones en directo.

Answer 3

El DMA no es un sustituto de las interrupciones, sino que suelen utilizarse conjuntamente. Si estás usando DMA para enviar datos a través de una UART, por ejemplo, todavía necesitas una interrupción para decirte cuando el envío está completo.

Answer 4

El uso de DMA introduce algunas preguntas y desafíos interesantes más allá de todas las otras consideraciones del uso de periféricos UART. Te daré algunos ejemplos: Asume que tu uC está sentado en un bus RS485 (o lo que sea) con otros dispositivos. Hay muchos mensajes en el bus, algunos están destinados a tu uC, otros no. Además, supongamos que todos estos vecinos de bus hablan un protocolo de datos diferente, lo que implica que las longitudes de los mensajes son diferentes.

Algunas preguntas que sólo surgen cuando se utiliza el DMA son:

• ¿cuándo interrumpo?
  • A los DMA sólo les gusta interrumpir cuando han transferido una cantidad preestablecida de datos.
  • ¿Qué hacer si nunca se reciben suficientes datos para activar una interrupción DMA?
• ¿Qué pasa si sólo recibes un mensaje parcial cuando el DMA se interrumpe?
• ¿Qué aspecto tienen sus topes RX? ¿Son lineales o circulares?
  • DMA puede ser un participante de búferes circulares rebelde en el sentido de que sólo obedece el límite de la dirección, pero no tiene ningún problema en pasar por encima de los otros punteros en el sistema de búferes circulares.

De todos modos, sólo es un elemento de reflexión.

Answer 5

En el lado de la recepción (si no recuerdo mal), el DMA finaliza cuando coincide con un carácter o en el recuento de terminales. Algunos protocolos y muchas aplicaciones interactivas no encajan fácilmente en este modelo y es necesario manejar las cosas carácter por carácter. Las técnicas de DMA también pueden ser frágiles si el enlace de comunicaciones no es fiable, la pérdida de un solo carácter en el flujo puede estropear fácilmente su máquina de estado DMA.