摘 要： 以太網(wǎng)接口因其具有標準開放、易于擴展、低成本等優(yōu)點而在工業(yè)中得到了廣泛應用。傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個關(guān)鍵參數(shù)，在一些時間敏感的領域設計中要予以考慮。通過使用DMA方式提升以太網(wǎng)接口的性能，并用PING包試驗的方式進行了驗證。結(jié)果表明，通過使用DMA可以顯著地提升以太網(wǎng)接口的性能。
關(guān)鍵詞： DMA；Cache；以太網(wǎng)；性能
0 引言
以太網(wǎng)作為一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)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(wǎng)技術(shù)[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(shù)據(jù)量越來越大，以太網(wǎng)接口的性能成為應用中需要考慮的關(guān)鍵因素之一[4]。本文研究了DMA技術(shù)對于以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)MAC芯片。
S3C2410是Samsung公司生產(chǎn)的一款基于ARM公司ARM920T架構(gòu)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(wǎng)標準的NE2000兼容型快速以太網(wǎng)控制器芯片，內(nèi)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(qū)動程序可以很方便地移植[6]。AX88796的功能框圖如圖1所示。
基于S3C2410和AX88796的以太網(wǎng)接口設計如圖2所示。
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(shù)據(jù)交換。如果不使用DMA，中央處理器需要首先將數(shù)據(jù)從源地址拷貝到內(nèi)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(shù)據(jù)，不需要CPU的介入，CPU只負責啟動而不參與數(shù)據(jù)傳送過程，整個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(quán)轉(zhuǎn)移問題。在DMA開始前，CPU要把總線控制權(quán)交給DMA控制器，在DMA數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后再把總線控制權(quán)交還給CPU。
為了提升以太網(wǎng)接口的性能，本設計引入了DMA數(shù)據(jù)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(wǎng)驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)程序如下：
for（Count=0；Count<（length>>1）；Count++）
{
*pData=*（pDrvCtrl->base+ENE_DATA）；
pData+=2；
}
for（count=0；count<（length>>1）；count++）
{
*（pDrvCtrl->base+ENE_DATA）=*pData；
pData+=2；
}
使用PING包試驗測試該驅(qū)動程序的性能，效果如圖3所示。
為了提升以太網(wǎng)接口的傳輸性能，在驅(qū)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(wǎng)接口的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。
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(shù)據(jù)源初始地址，將數(shù)據(jù)源初始地址寫入寄存器DISRC。對于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)源初始地址就是AX88796的數(shù)據(jù)寄存器地址；而對于數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)源初始地址就是包含待發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。
?。?）配置DMA引擎的數(shù)據(jù)源控制寄存器，包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)存中，其地址是遞增的，所以要配置成遞增式。
?。?）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(shù)據(jù)接收，初始目的地址就是內(nèi)存中用于存儲接收數(shù)據(jù)的地址；而對于數(shù)據(jù)發(fā)送，初始目的地址就是AX88796的數(shù)據(jù)寄存器地址。
?。?）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(shù)據(jù)源控制寄存器的配置。
?。?）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(shù)。
（6）配置DMA引擎的觸發(fā)寄存器以啟動數(shù)據(jù)傳輸。
具體的驅(qū)動代碼如下：
【數(shù)據(jù)接收】
DMA_DISRC=（pDrvCtrl->base+ENE_DATA）；
DMA_DISRCC=1；
DMA_DIDST=pData；
DMA_DIDSTC=0；
DMA_DCON=（0x48500000|dataShortCount）；
DMA_DMASKTRI=0x3；
【數(shù)據(jù)發(fā)送】
DMA_DISRC=pData；
DMA_DISRCC=0；
DMA_DIDST=（pDrvCtrl->base+ENE_DATA）；
DMA_DIDSTC=1；
DMA_DCON=（0x48500000|dataShortCount）；
DMA_DMASKTRI=0x3；
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(jié)果如圖5所示。
由圖可見，采用DMA傳輸方式后，以太網(wǎng)接口的性能得到了顯著的提升。
3 結(jié)論
傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個關(guān)鍵參數(shù)，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(wǎng)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(wǎng)接口的性能。
參考文獻
[1] IEEE Computer Society． IEEE Standard 802.3[S]．2002.
[2] 謝希仁．計算機網(wǎng)絡[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013．
[3] 嚴偉，潘愛民．計算機網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，2012．
[4] 楊宏．基于END驅(qū)動IP層轉(zhuǎn)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.