基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：詳細(xì)分析了VxWorks中增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)（END）的工作原理，提出了基于共享內(nèi)存（SM）的END驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)了該SM END驅(qū)動(dòng)。SM END驅(qū)動(dòng)將共享內(nèi)存模擬為虛擬的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)了分布式多處理器系統(tǒng)之間通過CompactPCI總線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信功能。
關(guān)鍵詞：END；SM；MUX；VxWorks

1 引言

END是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks中工作在數(shù)據(jù)鏈路層的一種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模型，該模型定義了與MUX層交互的標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶只需要根據(jù)特定的網(wǎng)絡(luò)接口硬件特性按要求提供這些接口即可實(shí)現(xiàn)END層與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的通信。END驅(qū)動(dòng)模型的存在，使得VxWorks可以滿足嵌入式產(chǎn)品對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)接口硬件的適應(yīng)性和通用性，也使得通過軟件模擬的滿足END驅(qū)動(dòng)特性的虛擬網(wǎng)絡(luò)接口成為可能。

       在基于總線的分布式多處理器系統(tǒng)中，SM是應(yīng)用較為廣泛的實(shí)現(xiàn)多處理器之間的一種通信手段。VxWorks操作系統(tǒng)也提供了對(duì)共享內(nèi)存的支持，通過駐留在主系統(tǒng)或從系統(tǒng)中的共享內(nèi)存，分別運(yùn)行在主從系統(tǒng)上的兩個(gè)任務(wù)可以像在單一系統(tǒng)中的兩個(gè)任務(wù)一樣進(jìn)行透明的進(jìn)程間通信。

       基于SM的END驅(qū)動(dòng)，從軟件上將共享內(nèi)存模擬為一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)接口，從而可以提供諸如IP over PCI等功能特性，使得上層的應(yīng)用程序可以通過CompactPCI總線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信。

2 END機(jī)制分析

VxWorks中的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)END是一個(gè)使用MUX功能來與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)模型。MUX是數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層之間的接口， VxWorks提供MUX層以支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的相互獨(dú)立性。

在VxWorks的這種架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)程序不能直接通信，而必須通過MUX。網(wǎng)絡(luò)層要調(diào)用數(shù)據(jù)鏈路層上的驅(qū)動(dòng)程序以發(fā)送數(shù)據(jù)，那么網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就需要調(diào)用相關(guān)的MUX例程，同樣鏈路層上的驅(qū)動(dòng)程序需要訪問網(wǎng)絡(luò)層（IP或其他協(xié)議）時(shí)，也需要調(diào)用相關(guān)的MUX例程。圖1給出了網(wǎng)絡(luò)層、MUX層和驅(qū)動(dòng)層三者之間的接口。

圖1 協(xié)議層、驅(qū)動(dòng)層與MUX層的接口

END設(shè)備需要初始化才能工作。初始化的第一步是向系統(tǒng)注冊(cè)END設(shè)備，接著應(yīng)該在系統(tǒng)初始化時(shí)通過MUX層接口加載END設(shè)備，然后可以通過MUX層接口啟動(dòng)END設(shè)備驅(qū)動(dòng)或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議綁定到END設(shè)備。在中斷模式下時(shí)，END層的啟動(dòng)例程在啟動(dòng)設(shè)備的同時(shí)需要連接中斷服務(wù)程序，當(dāng)END設(shè)備收到數(shù)據(jù)包而引起中斷時(shí)，會(huì)調(diào)用此中斷服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收工作；另一方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也可以通過MUX層接口將它自身綁定到END設(shè)備以實(shí)現(xiàn)輪詢模式的工作方式。

當(dāng)VxWorks收到由數(shù)據(jù)到達(dá)引起的中斷時(shí)，它調(diào)用由END啟動(dòng)例程注冊(cè)的中斷服務(wù)程序。該中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)幀從本地硬件傳遞到系統(tǒng)緩存，并通過回調(diào)函數(shù)將此數(shù)據(jù)緩存?zhèn)鬟f到MUX層。MUX層接收例程進(jìn)而調(diào)用協(xié)議層的接收函數(shù)將數(shù)據(jù)緩存?zhèn)魉偷綉?yīng)用程序。

    當(dāng)上層應(yīng)用程序需要向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過協(xié)議層的接口調(diào)用MUX層的發(fā)送例程，MUX發(fā)送例程通過回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)緩存?zhèn)鬟f給END驅(qū)動(dòng)，END驅(qū)動(dòng)進(jìn)而將要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存復(fù)制到設(shè)備的發(fā)送隊(duì)列，當(dāng)設(shè)備收到發(fā)送數(shù)據(jù)中斷時(shí)，中斷服務(wù)程序調(diào)用發(fā)送函數(shù)將設(shè)備發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。END機(jī)制下的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送過程分別如圖2(a)、2(b)所示。

3 SM END設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從上面對(duì)END驅(qū)動(dòng)工作原理的分析過程中可以看出，在這樣一種模型下，END驅(qū)動(dòng)程序和上層協(xié)議之間是透明的，它們并不了解彼此的內(nèi)部信息，而是通過MUX層這個(gè)接口來進(jìn)行間接地通信。保持這種透明性最大的好處是便于移植，可以很容易地增加一些新的END驅(qū)動(dòng)程序或協(xié)議而能夠保持透明的通信。正是基于這一點(diǎn)，本文基于一種共享內(nèi)存機(jī)制，將共享內(nèi)存作為一種虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動(dòng)?；诠蚕韮?nèi)存的END驅(qū)動(dòng)不再利用物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，而是直接使用底層共享內(nèi)存機(jī)制的收發(fā)例程完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)主從系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信方式。

具體來看，SM END模型可以分為三部分，初始化、加載與啟動(dòng)。SM END的初始化與標(biāo)準(zhǔn)END的初始化步驟相同，具體方法在稍后的實(shí)現(xiàn)部分說明。加載SM END設(shè)備，即向系統(tǒng)注冊(cè)SM END驅(qū)動(dòng)模塊，也與標(biāo)準(zhǔn)END的加載過程相同。啟動(dòng)部分有區(qū)別，因?yàn)楣蚕韮?nèi)存并不是真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此它不能像物理設(shè)備那樣通過中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)的收發(fā)。本文利用底層的共享內(nèi)存驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，即在啟動(dòng)SM END驅(qū)動(dòng)時(shí)向底層的共享內(nèi)存驅(qū)動(dòng)模塊先注冊(cè)一個(gè)回調(diào)函數(shù)（SmEndCallBack()函數(shù)），底層的共享內(nèi)存驅(qū)動(dòng)收到數(shù)據(jù)后，再調(diào)用此前SM END向其注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收處理。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，SM END驅(qū)動(dòng)可以直接調(diào)用SM驅(qū)動(dòng)的發(fā)送例程進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送?；赟M END的數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖2(c)、2(d)所示。

圖2 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送流程

需要指出的是，本文所提出的SM END模型是獨(dú)立于底層具體的共享內(nèi)存機(jī)制的，這樣，在編碼實(shí)現(xiàn)SM END驅(qū)動(dòng)時(shí)，只需要調(diào)用底層具體的共享內(nèi)存機(jī)制向上提供的發(fā)送和接收接口函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)不同共享內(nèi)存機(jī)制下的SM END驅(qū)動(dòng)。

SM END的實(shí)現(xiàn)上，需要完成兩部分任務(wù)，一部分為SM END設(shè)備的初始化，一部分為SM END需要提供的接口函數(shù)。SM END設(shè)備的初始化部分，只需要在VxWorks提供的框架下進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可，具體來講有兩步工作要做：第一，在系統(tǒng)中添加END機(jī)制模塊，即在BSP目錄的config.h文件中增加宏INCLUDE_END；第二，向系統(tǒng)注冊(cè)SM END設(shè)備，即在BSP目錄的configNet.h文件的全局變量endDevTbl中增加SM END設(shè)備對(duì)應(yīng)項(xiàng)。

       SM END驅(qū)動(dòng)需要提供的接口函數(shù)必須與標(biāo)準(zhǔn)END驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)一致，表1列出了SM END驅(qū)動(dòng)所提供的全部接口函數(shù)。其中，SmEndLoad()函數(shù)完成向系統(tǒng)加載SM END驅(qū)動(dòng)模塊的功能，具體來說，它需要?jiǎng)?chuàng)建并初始化SM END數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并為SM END驅(qū)動(dòng)模塊分配內(nèi)存以緩存發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包。SmEndStart()函數(shù)啟動(dòng)SM END設(shè)備，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是向底層的共享內(nèi)存驅(qū)動(dòng)模塊注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，當(dāng)共享內(nèi)存驅(qū)動(dòng)收到數(shù)據(jù)后再調(diào)用此回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收。SmEndSend()函數(shù)通過調(diào)用SM模塊的發(fā)送例程實(shí)現(xiàn)END層的數(shù)據(jù)發(fā)送功能。SM END驅(qū)動(dòng)必須能夠支持多播，SmEndMCastAdd()、SmEndMCastDel()和SmEndMCastGet()實(shí)現(xiàn)SM END設(shè)備對(duì)多播的支持。此外，SM END驅(qū)動(dòng)還提供對(duì)數(shù)據(jù)包的操縱函數(shù)和I/O控制等等支持。

表1 SM END驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)列表

4 結(jié)束語

       本文在詳細(xì)分析了VxWorks中END驅(qū)動(dòng)工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需要，提出了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動(dòng)模型，該SM END驅(qū)動(dòng)模型獨(dú)立于具體的共享內(nèi)存機(jī)制，在一種共享內(nèi)存機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了SM END驅(qū)動(dòng)。本文提出的SM END驅(qū)動(dòng)模型為分布式多處理器系統(tǒng)間提供了一種通過CompactPCI總線而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的方式，使得系統(tǒng)兩側(cè)的上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口與對(duì)側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行透明的網(wǎng)絡(luò)通信。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出并實(shí)現(xiàn)了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動(dòng)模型，使得分布式多處理器系統(tǒng)間可以通過CompactPCI總線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信。

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