內(nèi)核多線程直接存儲(chǔ)PCIE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

王仕明　嚴(yán)發(fā)寶　徐智勇　付承毓

1(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　四川 成都 610209)2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京 100039)3(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院　湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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內(nèi)核多線程直接存儲(chǔ)PCIE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

王仕明1,2嚴(yán)發(fā)寶3徐智勇1付承毓1

1(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川 成都 610209)2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100039)3(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院湖南 長(zhǎng)沙 410083)

在Linux系統(tǒng)中，高速存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)會(huì)將大量數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間進(jìn)行存儲(chǔ)，這將導(dǎo)致存儲(chǔ)速度下降和劇烈波動(dòng)。針對(duì)該問題，結(jié)合自行設(shè)計(jì)開發(fā)的PCIE接口高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)，分析Linux下PCIE驅(qū)動(dòng)的一般組成及實(shí)現(xiàn)，提出一種在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)多線程多緩存直接存儲(chǔ)的方法。首先圖像數(shù)據(jù)乒乓DMA傳輸?shù)诫pDMA緩存中，然后將數(shù)據(jù)乒乓轉(zhuǎn)存到內(nèi)核空間雙大緩存中，最后由內(nèi)核線程直接寫入SSD。經(jīng)該方法優(yōu)化后的SSD存儲(chǔ)速度達(dá)到100 MB/s以上，比常規(guī)方法提升了65%以上。在實(shí)際工程中，輸入512×512@200 Hz的14位灰度圖像能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定存儲(chǔ)，避免了原來的丟幀現(xiàn)象，且性能穩(wěn)定，取得了良好的優(yōu)化效果。

圖像存儲(chǔ)PCIEDMALinux驅(qū)動(dòng)多線程

0　引　言

在光電檢測(cè)和跟蹤中，高幀頻、高分辨率相機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，在提高檢測(cè)和跟蹤精度的同時(shí)也對(duì)圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)速度及穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。某些系統(tǒng)要求存儲(chǔ)系統(tǒng)放置在設(shè)備內(nèi)部，這對(duì)系統(tǒng)的體積提出了更高要求。自行研制的PCIE接口高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)滿足了體積小、速度快而穩(wěn)的要求。PCIE采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接, 比起 PCI 以及更早期的計(jì)算機(jī)并行總線的共享架構(gòu),每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接, 不需要向整個(gè)總線申請(qǐng)帶寬, 而且由于差分信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到極高的頻率[2]。PCIE用途廣泛、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、通用性強(qiáng)。

Linux操作系統(tǒng)代碼開源，能輕松移植到多種平臺(tái)上，占用資源較少，是嵌入式設(shè)備的一個(gè)好選擇[3]。另外，Linux在硬盤讀寫和網(wǎng)絡(luò)通信方面，可靠性和性能均十分優(yōu)越，所以本存儲(chǔ)系統(tǒng)選用Linux作為操作系統(tǒng)。而驅(qū)動(dòng)是連接硬件與操作系統(tǒng)的紐帶，是圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心和靈魂，是可靠性和性能的關(guān)鍵。因此本文結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹PCIE接口的Linux驅(qū)動(dòng)各組成部分與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)闡明內(nèi)核多線程直接存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方法。

1　硬件系統(tǒng)

本高速存儲(chǔ)系統(tǒng)以PowerPC為控制核心，由圖像采集單元Frame Grabber、FPGA實(shí)現(xiàn)的PCIE接口DMA控制器、mSATA接口固態(tài)硬盤(SSD)及千兆網(wǎng)接口幾個(gè)部分組成。如圖1所示，圖像采集單元將高速圖像數(shù)據(jù)傳給FPGA的FIFO中。FPGA還實(shí)現(xiàn)了PCIE接口的DMA控制器，PCIE為2.5 GB/s的X4鏈路，理論總帶寬10 GB/s。當(dāng)運(yùn)行在PowerPC上的Linux驅(qū)動(dòng)發(fā)送DMA開始信號(hào)后，將圖像數(shù)據(jù)傳入PowerPC的內(nèi)存中，再由應(yīng)用程序存入到掛載在PowerPC處理器SATA接口上的SSD中。千兆網(wǎng)用來實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的通信控制和遠(yuǎn)程顯示。

圖1　高速存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　PCIE驅(qū)動(dòng)

2.1PCIE驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

PCIE接口DMA控制器是字符型設(shè)備，PCIE總線作為設(shè)備與主控制器之間的高速通道，在驅(qū)動(dòng)中需實(shí)現(xiàn)PCIE設(shè)備和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)雙重功能[4]。在PCIE接口DMA控制器驅(qū)動(dòng)中，不僅要實(shí)現(xiàn)PCIE的驅(qū)動(dòng)，還需重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)文件操作字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，即 file_operations成員的實(shí)現(xiàn)并注冊(cè) chr_dev。

DMA采用的是主總線 DMA傳輸方式，讀寫都是相對(duì)控制器來說的，即寫操作是由PCIE設(shè)備到內(nèi)核內(nèi)存，讀是由內(nèi)核內(nèi)存到PCIE設(shè)備。PCIE接口DMA控制器的驅(qū)動(dòng)組成如圖2所示。驅(qū)動(dòng)主要由驅(qū)動(dòng)加載和卸載、中斷處理及字符設(shè)備文件操作函數(shù)組成。

圖2　PCIE驅(qū)動(dòng)主要流程

驅(qū)動(dòng)加載的主要步驟如圖2(a)所示，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼及解析如下，每步均需檢測(cè)是否完成，如出錯(cuò)則需返回出錯(cuò)信息并退出；成功則置申請(qǐng)的資源位，方便模塊卸載時(shí)判斷并釋放相應(yīng)資源。

如申請(qǐng)中斷：

stat_flags = stat_flags | HAVE_IRQ;(HAVE_IRQ=4)

注冊(cè)pci_dev結(jié)構(gòu)體：

gDev = pci_get_device (PCI_VENDOR_ID_XILINX, PCI_DEVICE_ID_XILINX_PCIE, gDev); //根據(jù)廠商ID和設(shè)備ID找到PCI設(shè)備，自動(dòng)

//掃描配置空間，填入pci_device結(jié)構(gòu)體

使能MSI中斷：

pci_enable_msi(gDev);

//MSI中斷號(hào)會(huì)自動(dòng)填入，pci_dev的irp

//中，即gDev->irq

獲取中斷號(hào)并綁定中斷處理程序：

gIrq = gDev->irq;

request_irq(gIrq, (irq_handler_t)(& PCIe_DMA_IRQHandler), IRQF_SHARED | IRQF_SAMPLE_RANDOM, gDrvrName, gDev)；

申請(qǐng)DMA緩存：

gReadBuffer = pci_alloc_consistent(gDev, DMA_SIZE, &gReadHWAddr);

gWriteBuffer = pci_alloc_consistent(gDev, DMA_SIZE, &gWriteHWAddr);

字符設(shè)備初始化：

register_chrdev(gDrvrMajor, gDrvrName, &PCIe_DMA_file);

PCIe_DMA_file為文件操作結(jié)構(gòu)體，如圖2(c)所示，包括讀、寫、設(shè)備控制、打開和釋放函數(shù)，每個(gè)函數(shù)需獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，如ioctl(設(shè)備控制)函數(shù)如下：

int PCIe_Ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)

{

u32 regx;

int ret = SUCCESS;

switch (cmd) {

case RDDCSR:

//讀設(shè)備狀態(tài)控制器

regx = XPCIe_ReadReg(0);

*((u32 *)arg) = regx;

break;

?

}

DMA初始化

PCIe_WriteReg(2, gWriteHWAddr0);

//寫TLP起始地址寄存器

PCIe_WriteReg(3, TLPSIZE);

//寫TLP大小寄存器

PCIe_WriteReg(4, TLPCOUNT);

DMA完成后會(huì)自動(dòng)中斷，中斷處理函數(shù)流程如圖2(b)所示，通過DDMACR等寄存器即可完成，釋放信號(hào)量即可喚醒等待讀取數(shù)據(jù)的應(yīng)用進(jìn)程。應(yīng)用進(jìn)程讀數(shù)時(shí)會(huì)調(diào)用copy_to_user函數(shù)，將數(shù)據(jù)由內(nèi)核空間拷貝到應(yīng)用空間。

2.2速度測(cè)試及分析

將FPGA產(chǎn)生的模擬圖像數(shù)據(jù)寫入SSD，在速率為60 MB/s時(shí)即頻繁丟幀。這是由于大量數(shù)據(jù)需從內(nèi)核空間拷貝到應(yīng)用空間，頻繁在內(nèi)核模式和用戶模式之間切換，占用了太多的資源及時(shí)間，加上應(yīng)用程序常常不能被及時(shí)調(diào)度更加劇了速度的不穩(wěn)定性。因此提出了內(nèi)核多線程多級(jí)緩沖直接存儲(chǔ)到SSD的方法。

3　內(nèi)核多線程多級(jí)緩沖直接存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

3.1內(nèi)核直接存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)

常規(guī)的驅(qū)動(dòng)在DMA完成時(shí)，僅將數(shù)據(jù)傳入驅(qū)動(dòng)的DMA緩沖區(qū)中，由于DMA緩沖區(qū)需要內(nèi)存在物理上連續(xù)， 由于內(nèi)核的限制，Linux最大只能分配4 MB[5]。因此當(dāng)DMA完成后，驅(qū)動(dòng)就需要通知應(yīng)用程序及時(shí)將數(shù)據(jù)取走，以便進(jìn)行下一次DMA。當(dāng)傳輸速率較高時(shí)，就需要把大量數(shù)據(jù)通過copy_to_user函數(shù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，導(dǎo)致頻繁地在內(nèi)核模式和用戶模式之間進(jìn)行切換。這將占用大量資源和CPU時(shí)間從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的大幅下降和DMA速度的降低[6]，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行還會(huì)因不確定的延遲導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在內(nèi)核空間中，在驅(qū)動(dòng)中直接將數(shù)據(jù)存入硬盤則避免了這些問題。另外由于內(nèi)核線程優(yōu)先級(jí)高，實(shí)時(shí)性更好，速度更穩(wěn)定可靠。

3.2內(nèi)核多線程實(shí)現(xiàn)流程

實(shí)現(xiàn)原理流程如圖3所示。應(yīng)用程序首先在文件存儲(chǔ)路徑文件中寫入默認(rèn)路徑，然后置DDMACR(設(shè)備DMA狀態(tài)控制器)D1位為1，準(zhǔn)備開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。FPGA檢測(cè)到此位后開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到一次DMA數(shù)據(jù)量時(shí)，置DDMACR D2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好位，應(yīng)用程序調(diào)用ioctl函數(shù)查詢此位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后開始DMA，應(yīng)用程序進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)申請(qǐng)兩個(gè)DMA緩存區(qū)并設(shè)置好DMA寫操作初始值，同時(shí)初始化兩個(gè)內(nèi)核線程，一個(gè)寫硬盤線程，一個(gè)開始下次DMA線程。

圖3　內(nèi)核多線程直接存儲(chǔ)流程圖

當(dāng)DMA完成時(shí)，進(jìn)入中斷處理程序，清中斷后，切換DMA內(nèi)核緩沖區(qū)，最后釋放開始下次DMA信號(hào)量和寫文件信號(hào)量。開始下次DMA線程收到開始下次DMA信號(hào)量后，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好位，為真時(shí)啟動(dòng)下次DMA。寫文件線程也申請(qǐng)兩個(gè)大緩存，收到寫文件信號(hào)量時(shí)，將已完成DMA緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)緩存到一個(gè)大的內(nèi)核緩存中，大緩存大小是DMA緩存的N倍。大緩存滿時(shí)，切換到另一個(gè)大緩存，已滿大緩存寫入到默認(rèn)路徑下依自定義格式所建文件中，當(dāng)存儲(chǔ)達(dá)到指定次數(shù)后，關(guān)閉文件并新建另一個(gè)文件。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的高速DMA存儲(chǔ)。關(guān)鍵細(xì)節(jié)主要有兩級(jí)雙緩沖的實(shí)現(xiàn)和內(nèi)核中文件操作的實(shí)現(xiàn)，將在后文作詳細(xì)講解。

3.2.1兩級(jí)雙緩沖的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)槊看蜠MA的數(shù)據(jù)量小而中斷頻率較高，為避免頻繁向硬盤寫入小文件，提高硬盤存儲(chǔ)速度?？稍趦?nèi)核內(nèi)存申請(qǐng)兩個(gè)較大的緩存來轉(zhuǎn)存DMA數(shù)據(jù)，大緩存容量是DMA寫緩存的N倍，本系統(tǒng)取DMA緩存大小為4 MB，因?yàn)榇缶彺嬷恍鑳?nèi)存邏輯地址連續(xù)不需要物理地址連續(xù)，所以可以使用vmalloc函數(shù)分配內(nèi)存，一次最大可分配1 GB[7]。考慮到系統(tǒng)總內(nèi)存大小和SSD最佳速度對(duì)應(yīng)的文件大小,大緩存大小取40 MB。

乒乓緩存的數(shù)據(jù)流圖如圖4所示，每個(gè)周期大小為一次DMA時(shí)間間隔，進(jìn)入中斷后通過對(duì)標(biāo)志位的取反來標(biāo)識(shí)周期1和周期2的交換。數(shù)據(jù)在周期1時(shí)以DMA的方式將數(shù)據(jù)傳送到DMA寫緩存1，在周期2時(shí)通過memcpy將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入大緩存，并用memset函數(shù)清零DMA寫緩存。反之在周期2時(shí)將數(shù)據(jù)存入DMA寫緩存2，周期1進(jìn)行轉(zhuǎn)存，從而形成乒乓緩存。在N個(gè)周期中轉(zhuǎn)存的數(shù)據(jù)都存入大緩存1，而在另外N個(gè)周期中都存入大緩存2，從而形成以N為周期的大周期乒乓緩存，降低了寫頻率，增大了每次寫文件的大小，使得DMA和存儲(chǔ)速度均連續(xù)且平穩(wěn)。

圖4　兩級(jí)雙緩存數(shù)據(jù)流圖

3.2.2內(nèi)核中寫硬盤的實(shí)現(xiàn)方法

在驅(qū)動(dòng)模塊中，用戶空間的open、read、write等文件操作函數(shù)都是不可以使用的，而應(yīng)該使用內(nèi)核中對(duì)應(yīng)的函數(shù)。在早期版本中可以使用sys_open、sys_read和sys_write完成文件操作，但是在較新的版本中不再由EXPORT_SYMBOL導(dǎo)出這幾個(gè)符號(hào)[8]，因此新版本中不能再使用。分析sys_open可知調(diào)用do_sys_open后調(diào)用了filp->open，因此使用filp文件指針搭配struct file里的read和write即可完成對(duì)文件的讀寫操作。filp->f_op->read和filp->f_op->write都會(huì)對(duì)參數(shù)buf進(jìn)行合法性檢查，如果不在用戶空間則會(huì)拒絕訪問。因此需要設(shè)置FS(取USER_DS、KERNEL_DS兩值)來增大尋址范圍。這些函數(shù)定義在asm/uaccess.h。關(guān)鍵代碼如下：

struct file *w_filp;

mm_segment_t org_fs;

w_filp = filp_open(filename, O_RDWR|O_APPEND| O_CREAT, 0644);

//新建追加屬性的文件并打開

if(IS_ERR(filp))

{

printk("open file error… ");

return;

}

org_fs=get_fs();

//保存FS的原始值

set_fs(KERNEL_DS);

//將buf尋址范圍增大至內(nèi)核空間

//多次寫循環(huán)，根據(jù)標(biāo)識(shí)位切換BUF

w_filp->f_op->write(filp, big_write_buffer_N(N=0,1), BIG_BUF_SIZE,&filp->f_pos);

//將大緩存中數(shù)據(jù)寫入文件

//判斷寫次數(shù)是否達(dá)到，本系統(tǒng)取值50，單文件約為2 GB，達(dá)到后

//關(guān)閉文件，并打開新文件繼續(xù)傳輸

set_fs(org_fs);

//將buf尋址范圍恢復(fù)為原值

w_filp_close(filp,NULL);

3.3速度測(cè)試

本系統(tǒng)PowerPC提供SATA2.0接口，經(jīng)Linux dd命令無格式寫SSD速度最大值約為260 MB/s，寫Ext3格式文件最大速度約為115 MB/s，速度降低的主要原因是較低性能的CPU需對(duì)文件系統(tǒng)信息生成和寫入。對(duì)兩種方法實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)在同一系統(tǒng)下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試方法為FPGA自動(dòng)生成圖像數(shù)據(jù)，保證DMA數(shù)據(jù)隨時(shí)準(zhǔn)備好。因此系統(tǒng)的存儲(chǔ)只與驅(qū)動(dòng)的效率和穩(wěn)定性有關(guān)，為減少對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)每隔一分鐘通過gettimeofday函數(shù)得到存儲(chǔ)一百幀圖像所用時(shí)間，并將時(shí)間存入另一文件中，從而可以計(jì)算出存儲(chǔ)速度。存儲(chǔ)兩小時(shí)，采用Matlab畫出速度曲線如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，新方法實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)不僅穩(wěn)定存儲(chǔ)速度達(dá)到了100 MB/s以上，而且還十分穩(wěn)定。而傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定速度只有60 MB/s上下，速度波動(dòng)也劇烈得多。應(yīng)用中對(duì)內(nèi)核多線程直接存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)連續(xù)寫入512×512@200 Hz的14位灰度圖像，即速率為100 MB/s。測(cè)試5次，每次兩小時(shí)，均未發(fā)生丟幀和錯(cuò)幀現(xiàn)象。而采用常規(guī)驅(qū)動(dòng)的本系統(tǒng)在速率為60 MB/s時(shí)即出現(xiàn)明顯丟幀；當(dāng)速率提高到80 MB/s時(shí)，丟幀會(huì)更加頻繁，而且基本都是連續(xù)丟幀。由此可見采用內(nèi)核多線程多緩存直接存儲(chǔ)的驅(qū)動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，存儲(chǔ)速度更快也更穩(wěn)定。

圖5　常規(guī)方法速度曲線

圖6　本文方法速度曲線

4　結(jié)　語

本文介紹PCIE驅(qū)動(dòng)的一般實(shí)現(xiàn)方法和步驟，針對(duì)其不足提出了在內(nèi)核中直接用多線程多緩沖存儲(chǔ)的方法。闡述了其實(shí)現(xiàn)的原理和流程，并對(duì)關(guān)鍵步驟和關(guān)鍵點(diǎn)作了詳細(xì)分析。該系統(tǒng)的瓶頸主要在于SSD的寫入速度，后續(xù)實(shí)現(xiàn)適合大量數(shù)據(jù)連續(xù)寫入的RAID3 SSD陣列后，速度將有較大提升。該存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法顯著地提高了存儲(chǔ)速度及穩(wěn)定性，具有較高的工程實(shí)踐及借鑒意義。

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DESIGNING KERNEL MULTITHREAD DIRECT STORAGE PCIE DRIVER

Wang Shiming1,2Yan Fabao3Xu Zhiyong1Fu Chengyu1

1(Key Laboratory of Beam Control, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,Sichuan,China)2(UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)3(SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)

In Linux system, high-speed storage drive will copy large amounts of data from kernel space to user space for storage, and this results in the decrease of storage speed and sharp volatility. Aiming at the problem, in combination with the self-designed and developed PCIE interface high-speed image storage system, we analyse the general composition of PCIE drive under Linux and its implementation, and put forward a method to realise multithread multi-buffer direct storage in driver. First, it transfers the ping-pong DMA of image data to double DMA buffer, then it saves the data ping-pong to double big buffer of kernel space, and finally directly writes them to SSD by kernel thread. After optimised with this method, SSD storage speed reaches more than 100 MB/s and gains over 65% improvement compared with conventional methods. In practical projects, by inputting 14 bits gray image with 512×512 @ 200 Hz, SSD can achieve stable storage, this avoids previous phenomenon of frame loss, the performance is stable as well, and achieves good optimisation result.

Image storagePCIEDMALinuxDriveMultithread

2015-03-12。國(guó)防實(shí)驗(yàn)基金項(xiàng)目(YJ14K015)。王仕明，博士生，主研領(lǐng)域：高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用開發(fā)。嚴(yán)發(fā)寶，博士生。徐智勇，研究員。付承毓，研究員。

TP316.1TP311

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10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.056