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基于DMA的以太網(wǎng)接口性能提升

2014年微型機與應(yīng)用第20期

程瑤

重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，重慶 400050

摘要： 以太網(wǎng)接口因其具有標(biāo)準(zhǔn)開放、易于擴(kuò)展、低成本等優(yōu)點而在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個關(guān)鍵參數(shù)，在一些時間敏感的領(lǐng)域設(shè)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(jìn)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

Abstract：

Key words :

　　摘要：以太網(wǎng)接口因其具有標(biāo)準(zhǔn)開放、易于擴(kuò)展、低成本等優(yōu)點而在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。傳輸性能是以太網(wǎng)接口的一個關(guān)鍵參數(shù)，在一些時間敏感的領(lǐng)域設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，具有標(biāo)準(zhǔn)開放、高傳輸帶寬、低成本、易于擴(kuò)展和維護(hù)等特點，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(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(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(shè)計如圖2所示。

2 基于DMA的性能提升設(shè)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(fù)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(fù)責(zé)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(fù)擔(dān)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(yīng)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(shè)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(jìn)行了對比分析。本設(shè)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(yīng)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(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計中采用軟件方式啟動。要實現(xiàn)DMA傳輸，需要進(jìn)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。

　　（2）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）以及地址增長方式。在本設(shè)計中，發(fā)送和接收的源設(shè)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。

　　（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。

　　（4）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）以及地址增長方式。這里的配置可以參考數(shù)據(jù)源控制寄存器的配置。

　　（5）配置DMA引擎控制寄存器，配置包括傳輸單元大小（1 bit或者4 bit，本設(shè)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(shè)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；