一種面向光纖通信的緩存動態(tài)管理方案

楊明偉 杜建華 薛楠 李斌

摘要：緩存作為一種有限資源，在進行數(shù)據(jù)通信時，負責進行數(shù)據(jù)的緩沖，在數(shù)據(jù)通信速度的提升中起關(guān)鍵作用。本文提出了一種緩存動態(tài)管理方案，與傳統(tǒng)的緩存管理方式相比，本文提出的緩存動態(tài)管理方式能更有效地使用緩存，緩存更多的消息，從而提升通信速度。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；光纖通信；緩存；動態(tài)管理

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0045-02

1 引言

隨著機載計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)計使用光纖通信進行信息交互，光纖通信構(gòu)成的系統(tǒng)越來越大，系統(tǒng)內(nèi)交互的頻率也越來越高，這就對通信的速度與通信的頻度提出了更高的要求。在機載嵌入式系統(tǒng)中，光纖通信速度和頻度的提高不但涉及底層硬件邏輯技術(shù)的提升，還需上層軟件更有效地進行資源管理[1]。

在機載嵌入式系統(tǒng)中，由于嵌入式系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)內(nèi)緩存資源十分有限，然而通信過程中，緩存對數(shù)據(jù)的收發(fā)都有著決定性的影響[2]。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，上層軟件將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩存中，然后由邏輯負責將數(shù)據(jù)搬至硬件并發(fā)送，在數(shù)據(jù)接收時，邏輯將數(shù)據(jù)從硬件搬至數(shù)據(jù)緩存，上層軟件直接從數(shù)據(jù)緩存中讀取數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程中，都涉及數(shù)據(jù)緩存空間的申請和釋放，而嵌入式系統(tǒng)內(nèi)緩存空間大小有限，緩存的數(shù)據(jù)也有限。在傳統(tǒng)的緩存管理方式中，根據(jù)消息的最大長度進行緩存空間的申請，而在實際應(yīng)用過程中，只有少數(shù)消息的長度會接近最大消息長度，大部分的消息都遠達不到最大消息長度，這些短消息導(dǎo)致大部分緩存空間處于空閑狀態(tài)，并不能用于緩存新數(shù)據(jù)，從而浪費掉大量的系統(tǒng)資源。

本文提出一種緩存動態(tài)管理方案，將傳統(tǒng)方式中的緩存一個消息所占的緩存空間進行再次分割，分為連續(xù)的八個相對較小的緩存緩沖區(qū)。當進行緩存空間申請時，根據(jù)所需緩存的數(shù)據(jù)的長度，針對性地進行空間選擇，得到大于所需空間且最接近所需大小的緩存，降低緩存空間的空閑比率，從而從整體上提高數(shù)據(jù)緩存的利用率。

2 相關(guān)研究

在嵌入式操作系統(tǒng)中，BSP負責進行緩存空間的配置，然后向上層軟件提供緩存空間的相關(guān)信息，包括緩存空間的首地址和空間長度，上層軟件通過調(diào)用系統(tǒng)提供的緩存空間申請函數(shù)進行緩存空間的申請[3]。

在光纖通信中，消息分為短消息和長消息兩種。短消息不大于4KB，長消息則為16M，在軟件初始化時，按照消息類型的不同，直接申請對應(yīng)消息最大長度的緩存空間。對于長消息，則申請16MB空間作為消息緩沖區(qū)；短消息則申請4KB的緩存空間作為消息緩沖區(qū)。因而，在有限的緩存空間中只能申請一定數(shù)量的長消息緩沖區(qū)和短消息緩沖區(qū)。

傳統(tǒng)的緩存空間管理方式并沒有對緩存空間進行針對性管理。當消息收發(fā)過程中需要進行數(shù)據(jù)緩存時，直接將已申請的與消息類型對應(yīng)的消息緩沖區(qū)直接全部分配給該消息。比如，當消息發(fā)送長度為5B的短消息數(shù)據(jù)，直接將4KB的短消息緩沖區(qū)分配給了該消息；接收1MB的長消息時，直接分配了16MB的長消息緩沖區(qū)。這種方式能夠進行正常的消息收發(fā)，然而會造成緩存空間的極大浪費，存在進一步提升的空間。

通過對使用光纖通信的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，在機載嵌入式系統(tǒng)中，大多數(shù)的消息的長度是達不到所在消息的消息類型的最大長度的。短消息中，發(fā)送和接收頻度越高的消息，其攜帶的數(shù)據(jù)越小；攜帶數(shù)據(jù)越大的消息，其發(fā)送和接收的頻度也越低。因而，當數(shù)據(jù)收發(fā)的頻度越高，發(fā)送的消息長度越短，發(fā)現(xiàn)的利用率越低，限制了光纖通道的吞吐率的進一步提升。

通過對緩存空間高效管理，能夠降低緩存空間的空閑比率，提高緩存的使用效率，從而提升通信速率。

3 緩存動態(tài)管理方案與設(shè)計

3.1 緩存空間初始化

在進行緩存空間動態(tài)管理時，與傳統(tǒng)方式相同，需要先調(diào)用操作系統(tǒng)提供的緩存空間申請函數(shù)申請消息緩沖區(qū)，申請的4KB的短消息緩沖區(qū)和16MB的長消息緩沖區(qū)數(shù)目與傳統(tǒng)方式相同，然而與傳統(tǒng)方式不同之處在于對申請下來的消息緩沖區(qū)進行了針對性管理。

本文提出的緩存動態(tài)管理方案中，將一個緩沖區(qū)進行分割，將其從一個完整的緩沖區(qū)分割為8個大小相同的小緩沖區(qū)，每個小緩沖區(qū)的大小只有原先緩沖區(qū)大小的八分之一。對于4KB大小的緩沖區(qū)塊，每個小緩沖區(qū)為512B；對于16MB大小的緩沖區(qū)，每個小緩沖區(qū)為2MB。分割之后，將小緩沖區(qū)則作為重新分配的基本單位，但是管理時則是對包含8個小緩沖區(qū)的原始緩沖區(qū)塊進行管理。

我們構(gòu)建一個特定結(jié)構(gòu)體即緩沖區(qū)信息結(jié)構(gòu)體來對每個緩沖區(qū)塊進行管理。該結(jié)構(gòu)體包含以下幾個信息：

（1）buffSize：無符號整形，表示每個小緩沖區(qū)的大小。4KB的緩沖區(qū)塊中該變量為512，16MB的緩沖區(qū)塊中該變量為2M；

（2）allocFlag：無符號短整形，表示該緩沖區(qū)塊中各個小緩沖區(qū)的分配情況。0-7位分別表示第0-7塊的分配情況，對應(yīng)位為1表明該小緩沖區(qū)已經(jīng)被分配，對應(yīng)位為0，表明該小緩沖區(qū)還未分配。如圖1中第0個緩沖區(qū)塊所示，當緩沖區(qū)塊中的小緩沖區(qū)被分配后，對應(yīng)的標志位置為1；

（3）allocOffset：無符號短整形數(shù)組，表示申請目標個數(shù)的小緩沖區(qū)時的分配起始位置。該數(shù)組包含8個數(shù)據(jù)，0-7的數(shù)據(jù)分別代表了分配1-8個連續(xù)緩沖區(qū)時的起始分配位置。如圖1中的第0個緩沖區(qū)塊所示，初始化時，存在8塊連續(xù)的未分配的小緩沖區(qū)，所有大小的數(shù)據(jù)的起始分配位置都為0；當分配了2個小緩沖區(qū)時，剩下6個連續(xù)的小緩沖區(qū)，1-6塊的起始分配都變?yōu)?，7塊和8塊則沒有可分配位置，對應(yīng)數(shù)據(jù)置為0xFFFF；

（4）maxBuffCnt：無符號短整型，表示小緩沖區(qū)的最大連續(xù)數(shù)量。如圖1所示，對于第0個緩沖區(qū)塊，初始化時，還未進行緩沖區(qū)申請，故小緩沖區(qū)最大連續(xù)數(shù)量為8，當緩沖區(qū)0和緩沖區(qū)1被分配后，小緩沖區(qū)最大連續(xù)數(shù)量變?yōu)?。

3.2 緩存空間申請

當軟件進行緩存空間申請時，并不需要重新調(diào)用緩存空間申請函數(shù)申請新的緩存空間，而是從初始化之后的一個個緩沖區(qū)塊中進行分配。

緩存空間進行分配時，主要包含以下幾個步驟：

（1）首先根據(jù)準備緩存的消息的類型決定分配的緩沖區(qū)塊類型，如果是短消息，則在4KB的緩沖區(qū)塊中進行分配，如果是長消息，則在16MB的緩沖區(qū)塊中進行分配；

（2）根據(jù)需要申請的緩存空間的大小，計算出需要的小緩沖區(qū)的數(shù)量N。如果是短消息，則除以512，然后向上取整；如果是長消息，則除以2M，然后向上取整；

（3）從目標緩沖區(qū)塊數(shù)組中，從第0個緩沖區(qū)塊往后依次進行查找。當找到第一個滿足maxBuffCnt大于所需的小緩沖區(qū)數(shù)量的緩沖區(qū)塊時，則在該緩沖區(qū)塊中進行小緩沖區(qū)的分配；

（4）根據(jù)該緩沖區(qū)塊對應(yīng)的信息結(jié)構(gòu)體中的信息，將該緩沖區(qū)塊中從allocOffset[N-1]位置開始的N個小緩沖區(qū)分配給申請的軟件；

（5）根據(jù)分配后的小緩沖區(qū)的分配情況更新該緩沖區(qū)塊對應(yīng)的緩沖區(qū)信息結(jié)構(gòu)體中的信息，包括allocFlag，allocOffset和maxBuffCnt。

更新目標緩沖區(qū)塊對應(yīng)的信息時，首先修改分配標志allocFlag，然后根據(jù)分配標志進行分配起始偏移allocOffset，此時采用的方法如下：

（1）從第0個緩沖區(qū)開始，此時小緩沖區(qū)編號N為0，最大連續(xù)數(shù)Count為0，此次連續(xù)的起始位置Start為0，記錄偏移Offset為0，根據(jù)偏移位置的變化依次對后續(xù)小緩沖區(qū)執(zhí)行如下查詢；

（2）當對第N個小緩沖區(qū)執(zhí)行查詢時，如果該小緩沖區(qū)未被分配，進行如下操作。首先對最大連續(xù)數(shù)Count進行判斷，如果Count為0，則Start值變?yōu)镹；然后Count加1，如果更新之后的Count大于Offset，將Start記錄在allocOffset[Offse]中，Offset進行加1；最后小緩沖區(qū)編號加1，對第N+1個小緩沖區(qū)進行查詢；

（3）如果第N個小緩沖區(qū)已被分配，則最大連續(xù)數(shù)Count變?yōu)?，Offset不變，Start為0，小緩沖區(qū)編號加1，對第N+1個小緩沖區(qū)進行查詢；

（4）當對所有小緩沖區(qū)查詢之后，此時最大連續(xù)緩沖數(shù)目maxBuffCnt的值為Offset的當前值，如果Offset小于7，則將allocOffset[Offset～7]中的數(shù)據(jù)全部更改為0xFFFF。

3.3 緩存空間釋放

進行緩存空間釋放時，就是將申請的緩存空間重新放回原先的緩沖區(qū)塊中。釋放時步驟如下：

（1）根據(jù)緩存空間緩存的消息的類型，確定該緩存空間所屬的緩沖區(qū)消息的類型；

（2）計算出該地址相對于緩存空間基址的偏移；

（3）根據(jù)偏移計算出所在緩沖區(qū)塊的位置；

（4）釋放緩存空間；

（5）與申請緩存空間時相同，更新所在緩沖區(qū)塊的信息結(jié)構(gòu)體中的信息。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于嵌入式系統(tǒng)，面向光纖通信的緩存動態(tài)管理方案，該方案可以實現(xiàn)對緩存的動態(tài)管理，降低緩存的空閑比率，提高緩存利用率，從而提升通信速度。經(jīng)過測試，相對于傳統(tǒng)的緩存管理方式，本文提出的動態(tài)緩存管理方式能夠有效提高緩存利用率和通信速度，滿足機載嵌入式系統(tǒng)中通信對緩存空間管理的需求。

參考文獻：

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[3] 魏海濤，姜昱明，李建武等.內(nèi)存管理機制的高效實現(xiàn)研究[J].計算機工程與設(shè)計，2009，30（16）：3708-3712.

【通聯(lián)編輯：梁書】