一種提升FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理效率方法的研究

胡靖宇 薛楠 杜建華 曾曉東

摘要：隨著現(xiàn)代航電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨復(fù)雜，對于航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)處理速度要求日益增高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)拷貝方式已經(jīng)無法滿足大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)的實時性，高速率高可靠性的DMA控制器顯得極其重要。因此本文提出一種基于DMA控制器的數(shù)據(jù)拷貝方式來提升FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理效率的方法，DMA控制器能夠減輕處理器的負擔(dān)，縮短數(shù)據(jù)拷貝時間，提高整體性能，來保障整個系統(tǒng)的實時性及可靠性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸；FC網(wǎng)絡(luò)；DMA控制器

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0011-03

隨著航空電子的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，飛機航電系統(tǒng)日益向著綜合化、一體化、高效化，可靈活配置的方向發(fā)展[1]。由于機載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在不斷跨上新臺階日漸趨于復(fù)雜，特別是采用FC光纖網(wǎng)絡(luò)之后，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量日益增大，便對系統(tǒng)實時性及可靠性都提出了更高的要求。以memcpy函數(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较鄬Ρ容^簡單，但該方式要以CPU為主控制系統(tǒng)來進行操作，所有的數(shù)據(jù)傳輸工作都需要多個指令周期來完成。因此，存在傳輸效率低、CPU 負擔(dān)過重等問題，不適合進行大批量數(shù)據(jù)的傳輸[2]。在數(shù)據(jù)高速交互的系統(tǒng)中，快速、精確的數(shù)據(jù)傳輸是設(shè)計的關(guān)鍵[3]。

所以在光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸過程中就有很大可能會出現(xiàn)瓶頸，為解決該問題，本文研究了一種DMA 傳輸方式，設(shè)計了基于FC網(wǎng)絡(luò)的DMA控制器進行數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性及實時性，滿足航電系統(tǒng)的聯(lián)試需求。

1 DMA控制器簡介

DMA（Direct Memory Access）即直接存儲器存儲，是一種高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。?shù)據(jù)傳輸過程可以從一段內(nèi)存到另一段內(nèi)存，也可以從內(nèi)存到適配卡。DMA方式的關(guān)鍵點在于，利用其進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，不需要CPU的參與，也就是說不占用CPU執(zhí)行任務(wù)的周期，不會搶占CPU的資源。DMA在初始化完成之后，可以脫離CPU，獨立完成數(shù)據(jù)的傳輸功能。

DMA控制器是一種能夠在系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)搬家的獨立外部設(shè)備，其功能為通過一種專用的數(shù)據(jù)總線將存儲器與每個具備DMA傳輸能力的外部設(shè)備連接起來。常用的DMA控制器由一條地址總線、控制寄存器和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。DMA控制器進行任意的資源訪問時必能產(chǎn)生中斷，無需處理器介入，這樣便大大提高了傳輸效率。通常情況下，多個DMA控制器可以共用一個CPU，每一個控制器又會有多個DMA通道，以及與外部設(shè)備相連接的數(shù)據(jù)總線。

本文采用的是PowerPC處理器內(nèi)部集成DMA控制器，該處理器目前已在國外數(shù)據(jù)處理與信號處理中采用。一片處理器中提供一個內(nèi)核，主頻最高可達1.25 GHz[4]。該DMA控制器包括一條地址總線、一條數(shù)據(jù)總線和控制寄存器，驅(qū)動軟件在對DMA控制寄存器初始化時，采用了查詢工作方式。即向DMA控制器發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸命令后，由程序主動查詢DMA傳輸完成情況判斷。其結(jié)構(gòu)如圖1所示

2 FC網(wǎng)絡(luò)介紹

FC（光纖通道）網(wǎng)絡(luò)是綜合計算機通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)概念提出的一個不同于傳統(tǒng)的通道和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互聯(lián)方案[5]，是一種具有高實時性、可靠性、帶寬、性價比的開放式通信技術(shù)，是用交換或仲裁環(huán)拓撲處理介質(zhì)訪問沖突，采用信用策略控制網(wǎng)絡(luò)流量。

2.1 FC拓撲結(jié)構(gòu)

光纖通道標(biāo)準(zhǔn)定義了三種基本的拓撲結(jié)構(gòu)：點到點、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)[6]。其中交換結(jié)構(gòu)在目前的航空電子系統(tǒng)中使用最為普遍，源于其更優(yōu)于其余兩種拓撲結(jié)構(gòu)的可擴展性、隔離性和穩(wěn)定性，交換結(jié)構(gòu)中各個網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)交換機組成星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。本文所研究的FC網(wǎng)絡(luò)便采用此拓撲結(jié)構(gòu)。

2.2 FC-AE-ASM標(biāo)準(zhǔn)

針對航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用特點，SAE組織定義了FC-AE標(biāo)準(zhǔn)，包含了以下五種協(xié)議[7]：FC-AE-ASM、FC-AE-LP、FC-AE-RDMA、FC-AE-1553和FC-AE-VI。其中在機載領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的還是FC-AE-ASM協(xié)議。

FC-AE-ASM針對航空電子系統(tǒng)領(lǐng)域中各設(shè)備以及產(chǎn)品之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫螅峁┝烁邔崟r性、高可靠性和安全性等特點的一種通信協(xié)議。ASM接收方按預(yù)定的速率進行數(shù)據(jù)采集，不特別關(guān)注數(shù)據(jù)的來源，系統(tǒng)中所有的消息采用消息標(biāo)識來進行區(qū)分。FC-AE-ASM協(xié)議通過FC幀格式的數(shù)據(jù)域封裝ASM幀頭實現(xiàn)協(xié)議映射的，每個數(shù)據(jù)幀中的前16個字節(jié)作為ASM幀頭，其幀格式如表1所示。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

FC通信當(dāng)前采用的是FC-AE-ASM協(xié)議，它采用異步傳輸模式進行通信，發(fā)送方不需要接收方的等待和應(yīng)答可自主選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方也可以在需要時選擇收取數(shù)據(jù)，其傳輸模式描述如圖2所示。

在非阻塞傳輸模式下，其接收方式根據(jù)系統(tǒng)需要可以定義為查詢和中斷兩種模式。本驅(qū)動采用的是中斷方式，每當(dāng)數(shù)據(jù)進入硬件FIFO就會產(chǎn)生一個中斷，告知協(xié)議處理芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA就會申請DMA傳輸控制，主要是占用PCIe總線和內(nèi)存的獨占權(quán)限，申請到后就開始DMA傳輸。由于FC傳輸數(shù)據(jù)有長消息（大于2096字節(jié)小于16M字節(jié)）和短消息（小于2096字節(jié)）等不同數(shù)據(jù)類型，故申請的存放發(fā)送接收數(shù)據(jù)的方式為動態(tài)申請內(nèi)存（malloc），前后數(shù)據(jù)采用鏈表的管理關(guān)系，DMA傳輸也采用分散集聚DMA傳輸方式，因為分散集聚DMA申請的內(nèi)存是物理不連續(xù)的，所以處理器在申請一定大小的內(nèi)存時，會生成描述符鏈表，描述符鏈表中的每一個描述符都指向了一小塊物理連續(xù)的內(nèi)存，描述符中定義了控制狀態(tài)信息和內(nèi)存信息。其中，描述符最后32bit是一個指向下一個描述符的指針，這個指針將各個描述符連接成描述符鏈表，由此就可以映射到整個物理不連續(xù)的內(nèi)存，其示意圖見圖3所示。

FC的DMA傳輸過程如圖4所示，F(xiàn)C在分散集聚DMA的傳輸過程中，首先有FC數(shù)據(jù)到來時，發(fā)起FC數(shù)據(jù)讀取命令，當(dāng)數(shù)據(jù)進入硬件FIFO時，產(chǎn)生中斷并申請DMA傳輸控制。DMA控制器從驅(qū)動讀取描述符鏈表中的一個描述符并存到描述符引擎中，描述符更新引擎將此描述符的更新信息傳到描述符鏈表中，然后描述符引擎通過指向下一個描述符的指針向驅(qū)動獲取下一個描述符的信息，由此進行下一個描述符對應(yīng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸。

在用戶接收FC設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)過程中，為了盡可能減少數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)的時間，最大限度地提高數(shù)據(jù)拷貝性能，當(dāng)用戶接收FC網(wǎng)絡(luò)中發(fā)來的短消息和流數(shù)據(jù)時，驅(qū)動軟件調(diào)用DMA數(shù)據(jù)傳輸接口，使用DMA控制完成總線數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)的拷貝工作。經(jīng)過反復(fù)試驗與測試，最終數(shù)據(jù)結(jié)果表明，DMA傳輸方式比傳統(tǒng)的內(nèi)存拷貝方式（memcpy）傳輸速率及性能提高2倍以上，大大地縮短了數(shù)據(jù)處理時間，保證了整個系統(tǒng)的實時性和有效性。特別是在需要高實時性的航空電子領(lǐng)域中，機會稍縱即逝，能夠保證用戶或者地面站接收到航空器第一時間發(fā)來的數(shù)據(jù)是尤為重要的需求?？梢宰尲夹g(shù)人員在最短的時間內(nèi)做出對當(dāng)前形勢的判斷，取得一定的先機。

4 總結(jié)

本文通過對DMA控制器和FC-AE-ASM標(biāo)準(zhǔn)的詳細分析，提出了一種提升FC數(shù)據(jù)處理效率的方法，通過充分的實驗室環(huán)境驗證以及大量的測試工作，證明該研究具備良好的實時性和可靠性?？梢宰鳛楹诫娤到y(tǒng)中FC網(wǎng)絡(luò)通信部分的平臺服務(wù)軟件，大大提升數(shù)據(jù)在內(nèi)存搬家過程中的效率，滿足高效系統(tǒng)的實時性和具體應(yīng)用需求，特別在處理數(shù)據(jù)量較大的FC網(wǎng)絡(luò)中具有明顯優(yōu)勢，適用于現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】