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Text File  |  1992-10-01  |  17KB  |  330 lines

  1. Article 11617 (102 more) in comp.os.os2.misc:
  2. From: db3l@ans.net (David Bolen)
  3.  
  4. Subject: COM performance hints with 16550
  5. Date: Thu, 3 Sep 1992 20:18:53 GMT
  6. Organization: Advanced Network & Services, Inc. - Elmsford, NY
  7. Lines: 325
  8.  
  9. Warning: This is pretty long, but there's a summary at the end.  If you just
  10.          want to see a brief statement now:
  11.  
  12.      If you have a 16550, have a serial device that keeps DSR high while
  13.      it is on (I think most modems do this by default, or are configurable),
  14.      doesn't do hardware flow control, or doesn't mind getting up to 15
  15.      characters after dropping CTS and/or DSR, make sure you set BUFFER=ON
  16.      when configuring your COM port with the MODE command.  With default
  17.      settings, BUFFER=AUTO is really no different than BUFFER=DISABLED.
  18.  
  19.          - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
  20.  
  21. I recently obtained a copy of the OS/2 physical device driver reference and
  22. was reading through the information about the async drivers (COM/VCOM.SYS).
  23.  
  24. From the number of posts on the subject (some from myself), it seems that a
  25. number of people are confused about what the various MODE COM settings mean,
  26. and what sort of setup was the most efficient use of COM ports when a 16550
  27. UART was present (which seems to be universally regarded as a good idea to
  28. have in order to gain good performance).  I normally use OS/2 COM programs
  29. with the RTS=HS,BUFFER=AUTO settings (as is normally recommended on the net
  30. and in the FAQ) and wondered if I was fully exploiting the capabilities of my
  31. 16550.  In addition, I was still having problems with DOS environment programs
  32. (notably kermit 3.11 that just dies a horrible death) and hoped to learn a bit
  33. about how that might be improved.
  34.  
  35. After reading a bit, and performing some experimentation, I've come up with
  36. the following information and conclusions that may help other people with the
  37. 16550s.  I don't place any guarantees on this information, other than that it
  38. is accurate to the best of my knowledge and seems to be backed up by my
  39. experimental results.  I hope it proves helpful, or at least helps to explain
  40. the relationship between some of the MODE parameters and the use of the FIFO
  41. buffers provided by the 16550.
  42.  
  43. (in the following, when I use the term 16550, the OS/2 drivers actually
  44.  require an NS-16550A or compatible chip, and I believe the current level
  45.  chips as discussed previously in the OS/2 groups are 16550AFN or 16550AF)
  46.  
  47.          - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
  48.  
  49. Introduction:
  50. ------------
  51.  
  52. The 16550 provides for a 16-character receive hardware buffer that can be set
  53. to generate an interrupt every 1, 4, 8 or 14 characters.  It can also hold up
  54. to 16 characters in a transmit buffer, generating an interrupt only when that
  55. buffer is empty.  In other words, in its most efficient mode, the 16550 can
  56. handle transmission and receipt of data in roughly 16-byte chunks, only
  57. interrupting the CPU at the end of each chunk.
  58.  
  59. Note that even if you don't make use of the extended buffering from the
  60. point of view of interrupt handling, but still receive an interrupt for
  61. every character received or transmitted, the 16550 buffer can be helpful,
  62. as it can buffer received characters if the COM handler misses an interrupt,
  63. thereby preventing receive overruns.
  64.  
  65. The OS/2 COM driver can fully exploit these capabilities of the 16550
  66. depending on how it is configured.  Here's the rub though - if you take the
  67. default COM settings, and even if you use MODE to set the BUFFER parameter to
  68. AUTO, the COM driver is only partially using the capabilities of the UART.
  69. In other words, the settings that are normally posted to these groups, and
  70. are in the FAQ are not the most efficient settings.  In fact, from what I
  71. can tell, a BUFFER value of AUTO is no better than DISABLED with the other
  72. defaults for the modem signaling values.
  73.  
  74.  
  75. COM Driver Settings (MODE):
  76. --------------------------
  77.  
  78. The extended hardware buffering mode of the async driver can be controlled via
  79. the BUFFER parameter of the MODE command.  It can take on three values:
  80.  
  81.      ON         Set transmit/receive triggers to fully exploit buffering.
  82.                 (16-character transmit/receive queues for 16550).
  83.      OFF        Set transmit/receive triggers to a single character.
  84.      AUTO       "Automatic Protocol Override".  Adjust the transmit/receive
  85.                 triggers according to handshaking protocols in effect.
  86.  
  87. The "handshaking protocols" for AUTO mode use the following signals:
  88.  
  89.         RTS = Request To Send           ( Signals FROM OS/2 COM Driver )
  90.         DTR = Data Terminal Ready
  91.         CTS = Clear To Send             ( Signals TO OS/2 COM Driver )
  92.         DCD = Data Carrier Detect
  93.         DSR = Data Set Ready
  94.  
  95. and refer to the following:
  96.  
  97.    * Input Sensitivity using DSR
  98.         - MODE option IDSR, default ON
  99.         - If this setting is ON, then the driver will only accept data from
  100.           the device while the DSR line is active.
  101.    * Output Handshaking using CTS, DSR, DCD
  102.         - MODE options OCTS, ODSR, default is both ON
  103.         - No MODE option for DCD - MODE always sets it OFF
  104.         - This setting controls whether CTS, DSR or DCD are used to control
  105.           the flow of data to the modem.  If any of these settings are ON,
  106.           the driver stops giving data to the transmit hardware as soon as
  107.           the corresponding control signal drops.
  108.    * RTS Control Mode
  109.         - MODE option RTS, default is ON.  Can be one of the following:
  110.             + Enabled                                              [MODE=ON]
  111.             + Disabled                                             [MODE=OFF]
  112.             + Input Handshaking (RTS drops on input queue full)    [MODE=HS]
  113.             + Toggling on Transmit (RTS drops unless transmitting) [MODE=TOG]
  114.         - This setting controls how the RTS signal is controlled by the
  115.           driver.  If ON, DTR is used to signal when the COM port is
  116.           active, while if HS, DTR is used to control the flow of data
  117.           from the modem.
  118.    * DTR Control Mode
  119.         - MODE option DTR, default is ON.  Can be one of the following:
  120.             + Enabled                                              [MODE=ON]
  121.             + Disabled                                             [MODE=OFF]
  122.             + Input Handshaking (DTR drops on input queue full)    [MODE=HS]
  123.         - This setting controls how the DTR signal is used to control
  124.           the flow of data.
  125.         - This setting controls how the RTS signal is controlled by the
  126.           driver.  If ON, DTR is used to signal when the COM port is
  127.           active, while if HS, DTR is used to control the flow of data
  128.           from the modem.
  129.  
  130. A typical default configuration for the COM port is (ignoring some of the
  131. MODE parameters not relevant to this post):
  132.  
  133.         IDSR = ON               ODSR   = ON
  134.         OCTS = ON               DTR    = ON
  135.         RTS  = ON               BUFFER = AUTO
  136.  
  137. And most suggestions for configuring the COM port for better control
  138. explicitly set RTS=HS, and BUFFER=AUTO, so I expect that many people are
  139. running with the above settings, except with RTS=HS, allowing full hardware
  140. flow control (RTS/CTS) to the modem.
  141.  
  142. Setting Interaction:
  143.  
  144. For the purposes of this post (getting the most performance out of the 16550),
  145. the only settings that are really important from the above discussion are the
  146. "Extended Hardware Buffering" (BUFFER), "Input Sensitivity using DSR" (IDSR),
  147. and "Output Handshaking using CTS, DSR, DCD" (OCTS,ODSR).
  148.  
  149. Here's the basic problem.  In order to accomplish the latter two settings in
  150. their default modes, the AUTO buffering mode basically stops using the FIFO
  151. buffers.  In particular, the following adjustments are "automatically" made:
  152.  
  153.    * If IDSR is enabled, then the COM driver is set up to respond
  154.      to a lowering of the DSR signal within one character time.  To ensure
  155.      this, the driver adjusts the receive trigger to be a single character.
  156.      In other words, it lets the 16550 generate an interrupt per character.
  157.      The full 16-character receive buffer is still available to prevent
  158.      receive overruns, and the transmit trigger is not adjusted.
  159.    * If either OCTS, ODSR (or ODCD - only changeable from a program) are
  160.      enabled, then the device driver will respond to a lowering of the
  161.      appropriate signal within a single character time.  To do this, the
  162.      transmit trigger is lowered to a single character - the 16550 is set
  163.      to generate a transmit interrupt for each character, although the
  164.      receive trigger is not adjusted.
  165.  
  166. The reason both of these automatic adjustments are made is to take the safe
  167. course, and assume that anything using those signals has been designed to
  168. assume that the signals take action within a single character time.  For
  169. example, without fixing the transmit trigger, the modem could lower the
  170. CTS signal, but the 16550 might continue transmitting up to 15 characters
  171. that might still be in the FIFO transmit queue.
  172.  
  173. Of course, the problem is that with the default settings, both of these
  174. rules come into effect, and the driver ends up getting an interrupt per
  175. character for both transmitting and receiving characters.  In other words,
  176. you end up using the 16550 just like any lower UART, with the single advantage
  177. that the receive FIFO buffer on the chip helps avoid receive overruns.
  178.  
  179.  
  180. Improving Settings
  181. ------------------
  182.  
  183. In order to make more effective use of the 16550, you can do one of three
  184. things:
  185.  
  186.    * Explicitly set the extended buffering on (MODE BUFFER=ON).
  187.    * Disable IDSR sensitivity (MODE IDSR=OFF)
  188.    * Disable any output flow control (MODE OCTS=OFF,ODSR=OFF)
  189.  
  190. Of the three, I generally prefer the former, but you may have reasons to do
  191. one of the latter two.  By explicitly setting the buffering on, you will
  192. override the rules above that adjust the receive and transmit triggers.  What
  193. this means is that you may receive extraneous data if DSR is actually being
  194. used to signal input and that if the modem asks the driver to stop sending
  195. data (CTS), it may still receive up to 15 more characters.
  196.  
  197. I don't think either of these problems should hit most people using modems
  198. today.  I believe most modems hold DSR high while they are on (or at least are
  199. configurable to do this), and most modems that handle hardware flow control
  200. (RTS/CTS) drop CTS before they are absolutely out of room.  For example, the
  201. USR Courier v.32bis modem I have has a transmit buffer of 1.5K (3.25K for
  202. error control connections) and drops CTS when the buffer is 90% full (plenty
  203. of room for 15 extra characters).  But of course, for a specific case the
  204. second or third choice can be made, which will make better use of the 16550
  205. than the default settings, but not the best.
  206.  
  207.  
  208. Some experiments
  209. ----------------
  210.  
  211. Just to see if any of the stuff I was learning seemed to apply, I ran some
  212. quick tests.  Nothing extremely scientific - just a couple of quick file
  213. transfers.
  214.  
  215. Using a SLIP connection (TCP/IP over a serial line), with USR v.32bis modems
  216. on either end, I transferred a reasonably sized (115K or so) file down from
  217. a workstation.  My COM port was set at 38.4K.  The transfer was from the
  218. workstation back to my machine so I was mostly testing the receive
  219. characteristics although the program used (FTP) does transmit data during the
  220. transfer.
  221.  
  222. I tested using both the normal COM port settings (plus RTS=HS), and then with
  223. BUFFER=ON rather than AUTO.  Also, I first ran the transfers without anything
  224. else occurring on the system, and then re-ran the same transfers with a PM
  225. monitor (one of the ones from ftp-os2 - pmload11.zoo).  The results were
  226. interesting:
  227.  
  228.  
  229.            FTP Transfer Time (binary mode, size = 114688 bytes)
  230.    MONITOR      BUFFER          Time (s)        Rate (cps)      Load (%)
  231.    ---------------------------------------------------------------------
  232.    No           Auto            41              2797            N/A
  233.    No           On              41              2797            N/A
  234.  
  235.    Yes          Auto            53              2164            98-100
  236.    Yes          On              41              2797            82-86
  237.  
  238.  
  239. When nothing else was running, BUFFER didn't really make much of a difference.
  240. I guess this just meant that my machine itself was fast enough to keep up with
  241. an interrupt a character in general.  I presume though (given the next set of
  242. results) that the load on the system in the On mode was much less.
  243.  
  244. When something was running (even the load program, as a PM program, takes up
  245. CPU time and interferes with running applications - I had it iconized, so it
  246. had to update the icon each second), things were very different.  In Auto
  247. mode, I got a much worse transfer time, and my system load was pretty much
  248. pegged at 100%.  In On mode, I got as good a transfer time as when nothing
  249. else was running, but at a much smaller load on the machine.
  250.  
  251. So I think this is pretty strong evidence that using BUFFER=ON is very
  252. different than BUFFER=AUTO when the other signaling settings are using their
  253. default values.
  254.  
  255.  
  256. Virtual COM Driver (DOS Boxes)
  257. ------------------------------
  258.  
  259. After reading about VCOM (of which little is written), I don't see a magic
  260. pill for DOS box users, other than that a BUFFER=ON setting should help lower
  261. the CPU load and make it easier to keep the virtual interrupt rate up in
  262. the DOS environment.
  263.  
  264. There was one discovery I did make however, that may help some people out.
  265. VCOM supports two modes of accessing the COM ports - either through BIOS
  266. calls or via virtual I/O ports.  The virtual I/O ports only emulate the
  267. lower end INS8250 UART, and as others have noted, the virtual interrupt rate
  268. is limited to around 1000Hz or so.
  269.  
  270. Since I figured it had something to do with the virtual I/O ports that was
  271. causing the most problem with kermit, I reset kermit to use BIOS1 as its
  272. method for accessing the COM port.  Although access through the BIOS is
  273. technically limited to 9600 baud maximum, I was able to run kermit without a
  274. failure, including file downloads.  When letting kermit use the virtual I/O
  275. port, I'd generate traps at rates even as low as 2400 baud.
  276.  
  277. I think this behavior arises from the fact that when the application is
  278. controlling the hardware directly, it is issuing a lot more I/O requests to
  279. the virtual I/O port that must be handled by VCOM.  With the BIOS interface,
  280. the application basically asks BIOS for a character, and gets them back one at
  281. a time.  Since VCOM goes off to COM to get the character, all of the hardware
  282. flow control and buffering used by COM is available to VCOM, and the DOS
  283.  
  284. So - if someone else is trying to run a COM program in a DOS box and it can
  285. use BIOS to access the COM port rather than trying to run the hardware itself
  286. you may be able to get it working reasonably.  At the very least, it gave me a
  287. way to test the DOS version of kermit some of my users use from home at a
  288. reasonable speed (although not as high as I would like) from within a DOS box.
  289.  
  290.  
  291. Summary
  292.  
  293. An important aspect of the support for 16550 UARTs within the OS/2 2.0 COM
  294. driver is the interaction between various modem control handshaking settings
  295. and the automatic control of extended buffering.  In particular, several of
  296. the default COM port settings (IDSR=ON,OCTS=ON,ODSR=ON) when automatic control
  297. (BUFFER=AUTO) is enabled force the driver not to use the enhanced buffering of
  298. the 16550, and instead generate interrupts for each character transmitted or
  299. received.  This can decrease performance and definitely places a heavier load
  300. on the machine.
  301.  
  302. The easiest way to solve this is to use a setting of BUFFER=ON rather than
  303. BUFFER=AUTO, as long as it won't cause problems overrunning your modem or
  304. receiving extraneous information (see "Improving Settings" above).  I don't
  305. think many users will encounter a problem if they make these changes.  From
  306. my experiments, switching to BUFFER=ON can decrease the load on a 16MHz 386
  307. by at least 15%, while allowing the same transfer rate on a busier system.
  308.  
  309. For the DOS Box, one hint to users trying to get reasonable performance out of
  310. DOS COM applications - BUFFER=ON may also help this situation, but if you can
  311. live with 9600 baud, and your application supports using the BIOS interface to
  312. the COM port, try using that mode.  You may be to run the application
  313. successfully at higher data rates through the emulated BIOS interface than if
  314. the application tries to use the emulated COM hardware directly.
  315.  
  316.  
  317. I hope someone else finds this information useful - I know it's helped me to
  318. get a better handle on how OS/2 manages the COM port, and how various settings
  319. affect its use of the capabilities of my 16550 UARTs.
  320.  
  321.  
  322. --
  323. -- David
  324. --
  325. /-----------------------------------------------------------------------\
  326.  \              David Bolen             \  Internet: db3l@ans.net      /
  327.   |   Advanced Network & Services, Inc.   \   Phone: (914) 789-5327   |
  328.  / 100 Clearbrook Road, Elmsford, NY 10523  \   Fax: (914) 789-5310    \
  329. \-----------------------------------------------------------------------/
  330.