《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DMA的以太網(wǎng)接口性能提升
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第20期
程 瑤
重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400050
摘要: 以太網(wǎng)接口因其具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、易于擴(kuò)展、低成本等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),在一些時(shí)間敏感的領(lǐng)域設(shè)計(jì)中要予以考慮。通過(guò)使用DMA方式提升以太網(wǎng)接口的性能,并用PING包試驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,通過(guò)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
Abstract:
Key words :

  摘  要以太網(wǎng)接口因其具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、易于擴(kuò)展、低成本等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),在一些時(shí)間敏感的領(lǐng)域設(shè)計(jì)中要予以考慮。通過(guò)使用DMA方式提升以太網(wǎng)接口的性能,并用PING包試驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,通過(guò)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(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn),具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、高傳輸帶寬、低成本、易于擴(kuò)展和維護(hù)等特點(diǎn),是當(dāng)今應(yīng)用最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)[1-3]。伴隨著當(dāng)今社會(huì)信息化程度的提高,人們需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,以太網(wǎng)接口的性能成為應(yīng)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(duì)于以太網(wǎng)接口性能提升的作用,試驗(yàn)平臺(tái)采用了S3C2410A處理器和AX88796以太網(wǎng)MAC芯片。

1 系統(tǒng)組成

  試驗(yàn)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(diǎn),適用于對(duì)成本和功耗比較敏感的領(lǐng)域,如手持設(shè)備。該處理器片上集成了豐富的外設(shè)資源,包括Timer、UART、DMA、LCD控制器和NAND閃存控制器等,最高可運(yùn)行主頻為203 MHz[5]。

  AX88796是一款基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(jí)兼容的接口,其驅(qū)動(dòng)程序可以很方便地移植[6]。AX88796的功能框圖如圖1所示。

001.jpg

  基于S3C2410和AX88796的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

002.jpg

2 基于DMA的性能提升設(shè)計(jì)

  DMA(Direct Memory Access)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的一種重要特性,它可以不依賴CPU實(shí)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(fù)制到目的地址。這個(gè)過(guò)程會(huì)一直占用CPU資源,CPU無(wú)法處理其他工作。而DMA方式直接在兩個(gè)子系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù),不需要CPU的介入,CPU只負(fù)責(zé)啟動(dòng)而不參與數(shù)據(jù)傳送過(guò)程,整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程完全由DMA控制器硬件實(shí)現(xiàn)。這時(shí),CPU可以同時(shí)做其他的工作而互不影響,提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。不難看出,在同等程度的處理器負(fù)擔(dān)下,DMA是一種快速的數(shù)據(jù)傳送方式。在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí),總線應(yīng)該由DMA控制器直接控制,因此,在使用DMA時(shí)存在總線控制權(quán)轉(zhuǎn)移問(wèn)題。在DMA開(kāi)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(shè)計(jì)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(jìn)行了對(duì)比分析。本設(shè)計(jì)使用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng),軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Tornado2.2。DMA主要應(yīng)用于以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)收發(fā)部分。為了對(duì)比性能,分別對(duì)使用DMA與不使用DMA方式進(jìn)行了試驗(yàn)。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(yàn)測(cè)試該驅(qū)動(dòng)程序的性能,效果如圖3所示。

003.jpg

  為了提升以太網(wǎng)接口的傳輸性能,在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中使用了DMA方式,這樣可以在不太耗費(fèi)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(shè)總線間的直接數(shù)據(jù)傳輸。S3C2410的各個(gè)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(shè)計(jì)中采用了4字節(jié)傳輸模式,其傳輸時(shí)序如圖4所示。

004.jpg

  S3C2410的DMA引擎既可以通過(guò)軟件方式啟動(dòng),也可以通過(guò)外部DMA請(qǐng)求引腳啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用軟件方式啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)DMA傳輸,需要進(jìn)行如下的一系列操作:

 ?。?)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(duì)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(duì)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(shè)備所在的總線(系統(tǒng)總線或者外設(shè)總線)以及地址增長(zhǎng)方式。在本設(shè)計(jì)中,發(fā)送和接收的源設(shè)備都在系統(tǒng)總線上。而對(duì)于地址增長(zhǎng)方式,在接收時(shí),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(shí),源地址在內(nèi)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(duì)于數(shù)據(jù)接收,初始目的地址就是內(nèi)存中用于存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)的地址;而對(duì)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(shè)總線)以及地址增長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。

  具體的驅(qū)動(dòng)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(yàn)DMA傳輸方式的性能,這里同樣采用了PING包試驗(yàn)的方式,具體PING包結(jié)果如圖5所示。

由圖可見(jiàn),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。

005.jpg

3 結(jié)論

  傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要予以考慮。本設(shè)計(jì)中引入了DMA方式以提升以太網(wǎng)接口的性能,通過(guò)PING包試驗(yàn)證明了DMA可以顯著地提升以太網(wǎng)接口的性能。

參考文獻(xiàn)

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

  [2] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

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  [4] 楊宏.基于END驅(qū)動(dòng)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.


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