基于DMA的以太網接口性能提升*

程瑤

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶 400050）

0 引言

以太網作為一種計算機局域網組網接口標準，具有標準開放、高傳輸帶寬、低成本、易于擴展和維護等特點，是當今應用最為普遍的局域網技術[1-3]。伴隨著當今社會信息化程度的提高，人們需要處理的數據量越來越大，以太網接口的性能成為應用中需要考慮的關鍵因素之一[4]。本文研究了DMA技術對于以太網接口性能提升的作用，試驗平臺采用了S3C2410A處理器和AX88796以太網MAC芯片。

1 系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)采用了S3C2410A處理器和AX88796以太網MAC芯片。

S3C2410是Samsung公司生產的一款基于ARM公司ARM920T架構的通用處理器，其具有低成本、低功耗和高性能等優(yōu)點，適用于對成本和功耗比較敏感的領域，如手持設備。該處理器片上集成了豐富的外設資源，包括Timer、UART、DMA、LCD控制器和NAND閃存控制器等，最高可運行主頻為203 MHz[5]。

AX88796是一款基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網標準的NE2000兼容型快速以太網控制器芯片，內部集成有10/100 Mb/s自適應的物理層收發(fā)器和8 KB×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等CPU。由于提供了與NE2000寄存器級兼容的接口，其驅動程序可以很方便地移植[6]。AX88796的功能框圖如圖1所示。

圖1 AX88796功能框圖

基于S3C2410和AX88796的以太網接口設計如圖2所示。

圖2 以太網接口功能框圖

2 基于DMA的性能提升設計

DMA（Direct Memory Access）是現(xiàn)代計算機的一種重要特性，它可以不依賴CPU實現(xiàn)系統(tǒng)中不同硬件子系統(tǒng)之間的數據交換。如果不使用DMA，中央處理器需要首先將數據從源地址拷貝到內部暫存器，然后再將其復制到目的地址。這個過程會一直占用CPU資源，CPU無法處理其他工作。而DMA方式直接在兩個子系統(tǒng)間交換數據，不需要CPU的介入，CPU只負責啟動而不參與數據傳送過程，整個數據傳輸過程完全由DMA控制器硬件實現(xiàn)。這時，CPU可以同時做其他的工作而互不影響，提高了系統(tǒng)的運行效率。不難看出，在同等程度的處理器負擔下，DMA是一種快速的數據傳送方式。在實現(xiàn)DMA傳輸時，總線應該由DMA控制器直接控制，因此，在使用DMA時存在總線控制權轉移問題。在DMA開始前，CPU要把總線控制權交給DMA控制器，在DMA數據傳輸結束后再把總線控制權交還給CPU。

為了提升以太網接口的性能，本設計引入了DMA數據傳輸方式，并將使用DMA與不使用DMA的性能進行了對比分析。本設計使用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)環(huán)境為Tornado2.2。DMA主要應用于以太網驅動程序的數據收發(fā)部分。為了對比性能，分別對使用DMA與不使用DMA方式進行了試驗。不使用DMA的數據收發(fā)程序如下：

使用PING包試驗測試該驅動程序的性能，效果如圖3所示。

圖3 未使用DMA時的PING包試驗結果

為了提升以太網接口的傳輸性能，在驅動程序設計中使用了DMA方式，這樣可以在不太耗費CPU資源的情況下完成系統(tǒng)和以太網接口的數據交換，從而顯著地提升系統(tǒng)的性能。S3C2410片上集成了四通道的DMA引擎，可以完成系統(tǒng)總線和外設總線間的直接數據傳輸。S3C2410的各個DMA引擎支持單字節(jié)和4字節(jié)兩種傳輸大小。為了效率最大化，本設計中采用了4字節(jié)傳輸模式，其傳輸時序如圖4所示。

圖4 DMA傳輸時序圖

S3C2410的DMA引擎既可以通過軟件方式啟動，也可以通過外部DMA請求引腳啟動。本設計中采用軟件方式啟動。要實現(xiàn)DMA傳輸，需要進行如下的一系列操作：

（1）配置DMA引擎的數據源初始地址，將數據源初始地址寫入寄存器DISRC。對于以太網數據接收，數據源初始地址就是AX88796的數據寄存器地址；而對于數據發(fā)送，數據源初始地址就是包含待發(fā)送數據的內存地址。

（2）配置DMA引擎的數據源控制寄存器，包括數據源設備所在的總線（系統(tǒng)總線或者外設總線）以及地址增長方式。在本設計中，發(fā)送和接收的源設備都在系統(tǒng)總線上。而對于地址增長方式，在接收時，源地址為AX88796的數據寄存器地址，是固定不變的，所以要配置成不變的；在發(fā)送時，源地址在內存中，其地址是遞增的，所以要配置成遞增式。

（3）配置DMA引擎的初始目的地址，將初始目的地址寫入寄存器DIDST。對于數據接收，初始目的地址就是內存中用于存儲接收數據的地址；而對于數據發(fā)送，初始目的地址就是AX88796的數據寄存器地址。

（4）配置DMA引擎的目的地址控制寄存器，包括目的地址所在的總線（系統(tǒng)總線或者外設總線）以及地址增長方式。這里的配置可以參考數據源控制寄存器的配置。

（5）配置DMA引擎控制寄存器，配置包括傳輸單元大?。? bit或者4 bit，本設計中使用4 bit）、觸發(fā)方式（軟件方式或者外部硬件引腳觸發(fā)，本設計中使用的軟件觸發(fā)方式）以及傳輸次數。

（6）配置DMA引擎的觸發(fā)寄存器以啟動數據傳輸。

具體的驅動代碼如下：

為了檢驗DMA傳輸方式的性能，這里同樣采用了PING包試驗的方式，具體PING包結果如圖5所示。由圖可見，采用DMA傳輸方式后，以太網接口的性能得到了顯著的提升。

圖5 使用DMA后的PING包試驗結果

3 結論

傳輸性能是以太網接口的一個關鍵參數，在進行系統(tǒng)設計時需要予以考慮。本設計中引入了DMA方式以提升以太網接口的性能，通過PING包試驗證明了DMA可以顯著地提升以太網接口的性能。

[1]IEEE Computer Society．IEEE Standard 802.3[S]．2002.

[2]謝希仁．計算機網絡[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[3]嚴偉，潘愛民．計算機網絡[M].北京：清華大學出版社，2012．

[4]楊宏．基于END驅動IP層轉發(fā)能力的提升方法[J]．信息安全與通信保密，2007（1）：156-160．

[5]SAMSUNG Electronics．S3C2410A user′s manual[Z]．2004．

[6]ASIX Electronics Corporation.AX88796L user′s manual[Z]．2002.