基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

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

1 引言

END是嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks中工作在數(shù)據(jù)鏈路層的一種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模型，該模型定義了與MUX層交互的標準接口，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現(xiàn)END層與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的通信。END驅(qū)動模型的存在，使得VxWorks可以滿足嵌入式產(chǎn)品對各種網(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，分別運行在主從系統(tǒng)上的兩個任務(wù)可以像在單一系統(tǒng)中的兩個任務(wù)一樣進行透明的進程間通信。

       基于SM的END驅(qū)動，從軟件上將共享內(nèi)存模擬為一個虛擬的網(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總線進行標準的網(wǎng)絡(luò)通信。

2 END機制分析

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

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)動程序需要訪問網(wǎng)絡(luò)層（IP或其他協(xié)議）時，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)動層三者之間的接口。

圖1 協(xié)議層、驅(qū)動層與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END設(shè)備，接著應(yīng)該在系統(tǒng)初始化時通過MUX層接口加載END設(shè)備，然后可以通過MUX層接口啟動END設(shè)備驅(qū)動或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議綁定到END設(shè)備。在中斷模式下時，END層的啟動例程在啟動設(shè)備的同時需要連接中斷服務(wù)程序，當(dāng)END設(shè)備收到數(shù)據(jù)包而引起中斷時，會調(diào)用此中斷服務(wù)程序進行數(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)備以實現(xiàn)輪詢模式的工作方式。

當(dāng)VxWorks收到由數(shù)據(jù)到達引起的中斷時，它調(diào)用由END啟動例程注冊的中斷服務(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，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，END驅(qū)動進而將要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存復(fù)制到設(shè)備的發(fā)送隊列，當(dāng)設(shè)備收到發(fā)送數(shù)據(jù)中斷時，中斷服務(wù)程序調(diào)用發(fā)送函數(shù)將設(shè)備發(fā)送隊列中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。END機制下的數(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)計與實現(xiàn)

從上面對END驅(qū)動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層這個接口來進行間接地通信。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)動程序或協(xié)議而能夠保持透明的通信。正是基于這一點，本文基于一種共享內(nèi)存機制，將共享內(nèi)存作為一種虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)計了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動。基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動不再利用物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷服務(wù)程序進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，而是直接使用底層共享內(nèi)存機制的收發(fā)例程完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，從而實現(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。SM END的初始化與標準END的初始化步驟相同，具體方法在稍后的實現(xiàn)部分說明。加載SM END設(shè)備，即向系統(tǒng)注冊SM END驅(qū)動模塊，也與標準END的加載過程相同。啟動部分有區(qū)別，因為共享內(nèi)存并不是真實的物理網(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)動機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，即在啟動SM END驅(qū)動時向底層的共享內(nèi)存驅(qū)動模塊先注冊一個回調(diào)函數(shù)（SmEndCallBack()函數(shù)），底層的共享內(nèi)存驅(qū)動收到數(shù)據(jù)后，再調(diào)用此前SM END向其注冊的回調(diào)函數(shù)，進行數(shù)據(jù)的接收處理。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，SM END驅(qū)動可以直接調(diào)用SM驅(qū)動的發(fā)送例程進行數(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模型是獨立于底層具體的共享內(nèi)存機制的，這樣，在編碼實現(xiàn)SM END驅(qū)動時，只需要調(diào)用底層具體的共享內(nèi)存機制向上提供的發(fā)送和接收接口函數(shù)就能實現(xiàn)不同共享內(nèi)存機制下的SM END驅(qū)動。

SM END的實現(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提供的框架下進行簡單的操作即可，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)備對應(yīng)項。

       SM END驅(qū)動需要提供的接口函數(shù)必須與標準END驅(qū)動接口函數(shù)一致，表1列出了SM END驅(qū)動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)動模塊的功能，具體來說，它需要創(chuàng)建并初始化SM END數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并為SM END驅(qū)動模塊分配內(nèi)存以緩存發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包。SmEndStart()函數(shù)啟動SM END設(shè)備，內(nèi)部實現(xiàn)是向底層的共享內(nèi)存驅(qū)動模塊注冊回調(diào)函數(shù)，當(dāng)共享內(nèi)存驅(qū)動收到數(shù)據(jù)后再調(diào)用此回調(diào)函數(shù)進行數(shù)據(jù)包的接收。SmEndSend()函數(shù)通過調(diào)用SM模塊的發(fā)送例程實現(xiàn)END層的數(shù)據(jù)發(fā)送功能。SM END驅(qū)動必須能夠支持多播，SmEndMCastAdd()、SmEndMCastDel()和SmEndMCastGet()實現(xiàn)SM END設(shè)備對多播的支持。此外，SM END驅(qū)動還提供對數(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)動的接口函數(shù)列表

4 結(jié)束語

       本文在詳細分析了VxWorks中END驅(qū)動工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需要，提出了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動模型，該SM END驅(qū)動模型獨立于具體的共享內(nèi)存機制，在一種共享內(nèi)存機制下實現(xiàn)了SM END驅(qū)動。本文提出的SM END驅(qū)動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)用程序可以通過標準網(wǎng)絡(luò)接口與對側(cè)系統(tǒng)進行透明的網(wǎng)絡(luò)通信。

本文作者創(chuàng)新點：提出并實現(xiàn)了基于共享內(nèi)存的END驅(qū)動模型，使得分布式多處理器系統(tǒng)間可以通過CompactPCI總線進行標準的網(wǎng)絡(luò)通信。

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