胡靖宇 薛楠 杜建華 曾曉東

摘要：隨著現(xiàn)代航電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，機載網(wǎng)絡環(huán)境日趨復雜，對于航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)處理速度要求日益增高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)拷貝方式已經(jīng)無法滿足大量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)的實時性，高速率高可靠性的DMA控制器顯得極其重要。因此本文提出一種基于DMA控制器的數(shù)據(jù)拷貝方式來提升FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理效率的方法，DMA控制器能夠減輕處理器的負擔，縮短數(shù)據(jù)拷貝時間，提高整體性能，來保障整個系統(tǒng)的實時性及可靠性。

關鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸；FC網(wǎng)絡；DMA控制器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0011-03

隨著航空電子的高速發(fā)展和廣泛應用，飛機航電系統(tǒng)日益向著綜合化、一體化、高效化，可靈活配置的方向發(fā)展[1]。由于機載網(wǎng)絡技術也在不斷跨上新臺階日漸趨于復雜，特別是采用FC光纖網(wǎng)絡之后，網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量日益增大，便對系統(tǒng)實時性及可靠性都提出了更高的要求。以memcpy函數(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较鄬Ρ容^簡單，但該方式要以CPU為主控制系統(tǒng)來進行操作，所有的數(shù)據(jù)傳輸工作都需要多個指令周期來完成。因此，存在傳輸效率低、CPU 負擔過重等問題，不適合進行大批量數(shù)據(jù)的傳輸[2]。在數(shù)據(jù)高速交互的系統(tǒng)中，快速、精確的數(shù)據(jù)傳輸是設計的關鍵[3]。

所以在光纖網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸過程中就有很大可能會出現(xiàn)瓶頸，為解決該問題，本文研究了一種DMA 傳輸方式，設計了基于FC網(wǎng)絡的DMA控制器進行數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性及實時性，滿足航電系統(tǒng)的聯(lián)試需求。

1 DMA控制器簡介

DMA（Direct Memory Access）即直接存儲器存儲，是一種高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。?shù)據(jù)傳輸過程可以從一段內存到另一段內存，也可以從內存到適配卡。DMA方式的關鍵點在于，利用其進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，不需要CPU的參與，也就是說不占用CPU執(zhí)行任務的周期，不會搶占CPU的資源。DMA在初始化完成之后，可以脫離CPU，獨立完成數(shù)據(jù)的傳輸功能。

DMA控制器是一種能夠在系統(tǒng)內部進行數(shù)據(jù)搬家的獨立外部設備，其功能為通過一種專用的數(shù)據(jù)總線將存儲器與每個具備DMA傳輸能力的外部設備連接起來。常用的DMA控制器由一條地址總線、控制寄存器和數(shù)據(jù)總線構成。DMA控制器進行任意的資源訪問時必能產(chǎn)生中斷，無需處理器介入，這樣便大大提高了傳輸效率。通常情況下，多個DMA控制器可以共用一個CPU，每一個控制器又會有多個DMA通道，以及與外部設備相連接的數(shù)據(jù)總線。

本文采用的是PowerPC處理器內部集成DMA控制器，該處理器目前已在國外數(shù)據(jù)處理與信號處理中采用。一片處理器中提供一個內核，主頻最高可達1.25 GHz[4]。該DMA控制器包括一條地址總線、一條數(shù)據(jù)總線和控制寄存器，驅動軟件在對DMA控制寄存器初始化時，采用了查詢工作方式。即向DMA控制器發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸命令后，由程序主動查詢DMA傳輸完成情況判斷。其結構如圖1所示

2 FC網(wǎng)絡介紹

FC（光纖通道）網(wǎng)絡是綜合計算機通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡概念提出的一個不同于傳統(tǒng)的通道和網(wǎng)絡結構的互聯(lián)方案[5]，是一種具有高實時性、可靠性、帶寬、性價比的開放式通信技術，是用交換或仲裁環(huán)拓撲處理介質訪問沖突，采用信用策略控制網(wǎng)絡流量。

2.1 FC拓撲結構

光纖通道標準定義了三種基本的拓撲結構：點到點、仲裁環(huán)和交換結構[6]。其中交換結構在目前的航空電子系統(tǒng)中使用最為普遍，源于其更優(yōu)于其余兩種拓撲結構的可擴展性、隔離性和穩(wěn)定性，交換結構中各個網(wǎng)絡終端節(jié)點通過網(wǎng)絡交換機組成星形網(wǎng)絡拓撲結構。本文所研究的FC網(wǎng)絡便采用此拓撲結構。

2.2 FC-AE-ASM標準

針對航空電子系統(tǒng)的應用特點，SAE組織定義了FC-AE標準，包含了以下五種協(xié)議[7]：FC-AE-ASM、FC-AE-LP、FC-AE-RDMA、FC-AE-1553和FC-AE-VI。其中在機載領域中應用最為廣泛的還是FC-AE-ASM協(xié)議。

FC-AE-ASM針對航空電子系統(tǒng)領域中各設備以及產(chǎn)品之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫螅峁┝烁邔崟r性、高可靠性和安全性等特點的一種通信協(xié)議。ASM接收方按預定的速率進行數(shù)據(jù)采集，不特別關注數(shù)據(jù)的來源，系統(tǒng)中所有的消息采用消息標識來進行區(qū)分。FC-AE-ASM協(xié)議通過FC幀格式的數(shù)據(jù)域封裝ASM幀頭實現(xiàn)協(xié)議映射的，每個數(shù)據(jù)幀中的前16個字節(jié)作為ASM幀頭，其幀格式如表1所示。

3 系統(tǒng)方案設計

FC通信當前采用的是FC-AE-ASM協(xié)議，它采用異步傳輸模式進行通信，發(fā)送方不需要接收方的等待和應答可自主選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方也可以在需要時選擇收取數(shù)據(jù)，其傳輸模式描述如圖2所示。

在非阻塞傳輸模式下，其接收方式根據(jù)系統(tǒng)需要可以定義為查詢和中斷兩種模式。本驅動采用的是中斷方式，每當數(shù)據(jù)進入硬件FIFO就會產(chǎn)生一個中斷，告知協(xié)議處理芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA就會申請DMA傳輸控制，主要是占用PCIe總線和內存的獨占權限，申請到后就開始DMA傳輸。由于FC傳輸數(shù)據(jù)有長消息（大于2096字節(jié)小于16M字節(jié)）和短消息（小于2096字節(jié)）等不同數(shù)據(jù)類型，故申請的存放發(fā)送接收數(shù)據(jù)的方式為動態(tài)申請內存（malloc），前后數(shù)據(jù)采用鏈表的管理關系，DMA傳輸也采用分散集聚DMA傳輸方式，因為分散集聚DMA申請的內存是物理不連續(xù)的，所以處理器在申請一定大小的內存時，會生成描述符鏈表，描述符鏈表中的每一個描述符都指向了一小塊物理連續(xù)的內存，描述符中定義了控制狀態(tài)信息和內存信息。其中，描述符最后32bit是一個指向下一個描述符的指針，這個指針將各個描述符連接成描述符鏈表，由此就可以映射到整個物理不連續(xù)的內存，其示意圖見圖3所示。

FC的DMA傳輸過程如圖4所示，F(xiàn)C在分散集聚DMA的傳輸過程中，首先有FC數(shù)據(jù)到來時，發(fā)起FC數(shù)據(jù)讀取命令，當數(shù)據(jù)進入硬件FIFO時，產(chǎn)生中斷并申請DMA傳輸控制。DMA控制器從驅動讀取描述符鏈表中的一個描述符并存到描述符引擎中，描述符更新引擎將此描述符的更新信息傳到描述符鏈表中，然后描述符引擎通過指向下一個描述符的指針向驅動獲取下一個描述符的信息，由此進行下一個描述符對應內存的數(shù)據(jù)傳輸。

在用戶接收FC設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)過程中，為了盡可能減少數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)的時間，最大限度地提高數(shù)據(jù)拷貝性能，當用戶接收FC網(wǎng)絡中發(fā)來的短消息和流數(shù)據(jù)時，驅動軟件調用DMA數(shù)據(jù)傳輸接口，使用DMA控制完成總線數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)的拷貝工作。經(jīng)過反復試驗與測試，最終數(shù)據(jù)結果表明，DMA傳輸方式比傳統(tǒng)的內存拷貝方式（memcpy）傳輸速率及性能提高2倍以上，大大地縮短了數(shù)據(jù)處理時間，保證了整個系統(tǒng)的實時性和有效性。特別是在需要高實時性的航空電子領域中，機會稍縱即逝，能夠保證用戶或者地面站接收到航空器第一時間發(fā)來的數(shù)據(jù)是尤為重要的需求?？梢宰尲夹g人員在最短的時間內做出對當前形勢的判斷，取得一定的先機。

4 總結

本文通過對DMA控制器和FC-AE-ASM標準的詳細分析，提出了一種提升FC數(shù)據(jù)處理效率的方法，通過充分的實驗室環(huán)境驗證以及大量的測試工作，證明該研究具備良好的實時性和可靠性?？梢宰鳛楹诫娤到y(tǒng)中FC網(wǎng)絡通信部分的平臺服務軟件，大大提升數(shù)據(jù)在內存搬家過程中的效率，滿足高效系統(tǒng)的實時性和具體應用需求，特別在處理數(shù)據(jù)量較大的FC網(wǎng)絡中具有明顯優(yōu)勢，適用于現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 支超有，唐長紅.機載數(shù)據(jù)總線技術及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2] 李軍偉，戴紫彬，南龍梅.密碼SoC中嵌入式鏈式DMA的研究與設計[J].電子技術應用，2014（9）.

[3] 劉功杰.DMA控制器的一種硬件驗證方法[J].計算機工程與科學，2009（31）.

[4] 張偉棟，趙紅. 基于PowerPC處理器的通用處理模塊設計[J].微型機與應用，2015.

[5] 張峰，王家禮，方葛豐.微處理器系統(tǒng)功能測試[J].現(xiàn)代電子技術，2005（10） ： 108-110.

[6] 熊華鋼，王中華.先進航空電子綜合技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[7] 牛文生.機載計算機技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

【通聯(lián)編輯：唐一東】