基于共享內存的END驅動(dòng)設計與實(shí)現

　　1 引言

　　END是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks中工作在數據鏈路層的一種網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)模型，該模型定義了與MUX層交互的標準接口，用戶(hù)只需要根據特定的網(wǎng)絡(luò )接口硬件特性按要求提供這些接口即可實(shí)現END層與網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層的通信。END驅動(dòng)模型的存在，使得VxWorks可以滿(mǎn)足嵌入式產(chǎn)品對各種網(wǎng)絡(luò )接口硬件的適應性和通用性，也使得通過(guò)軟件模擬的滿(mǎn)足END驅動(dòng)特性的虛擬網(wǎng)絡(luò )接口成為可能。

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

　　基于SM的END驅動(dòng)，從軟件上將共享內存模擬為一個(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，使得上層的應用程序可以通過(guò)CompactPCI總線(xiàn)進(jìn)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 )驅動(dòng)END是一個(gè)使用MUX功能來(lái)與網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行通信的數據鏈路層驅動(dòng)模型。MUX是數據鏈路層與網(wǎng)絡(luò )層之間的接口， VxWorks提供MUX層以支持數據鏈路層與網(wǎng)絡(luò )層的相互獨立性。

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

　　圖1 協(xié)議層、驅動(dòng)層與MUX層的接口

　　END設備需要初始化才能工作。初始化的第一步是向系統注冊END設備，接著(zhù)應該在系統初始化時(shí)通過(guò)MUX層接口加載END設備，然后可以通過(guò)MUX層接口啟動(dòng)END設備驅動(dòng)或將網(wǎng)絡(luò )協(xié)議綁定到END設備。在中斷模式下時(shí)，END層的啟動(dòng)例程在啟動(dòng)設備的同時(shí)需要連接中斷服務(wù)程序，當END設備收到數據包而引起中斷時(shí)，會(huì )調用此中斷服務(wù)程序進(jìn)行數據接收工作;另一方面，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議也可以通過(guò)MUX層接口將它自身綁定到END設備以實(shí)現輪詢(xún)模式的工作方式。

　　當VxWorks收到由數據到達引起的中斷時(shí)，它調用由END啟動(dòng)例程注冊的中斷服務(wù)程序。該中斷服務(wù)程序將數據幀從本地硬件傳遞到系統緩存，并通過(guò)回調函數將此數據緩存傳遞到MUX層。MUX層接收例程進(jìn)而調用協(xié)議層的接收函數將數據緩存傳送到應用程序。

　　當上層應用程序需要向外發(fā)送數據時(shí)，通過(guò)協(xié)議層的接口調用MUX層的發(fā)送例程，MUX發(fā)送例程通過(guò)回調函數將數據緩存傳遞給END驅動(dòng)，END驅動(dòng)進(jìn)而將要發(fā)送的數據緩存復制到設備的發(fā)送隊列，當設備收到發(fā)送數據中斷時(shí)，中斷服務(wù)程序調用發(fā)送函數將設備發(fā)送隊列中的數據發(fā)送出去。END機制下的數據接收和發(fā)送過(guò)程分別如圖2(a)、2(b)所示。

　　3 SM END設計與實(shí)現

　　從上面對END驅動(dòng)工作原理的分析過(guò)程中可以看出，在這樣一種模型下，END驅動(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部信息，而是通過(guò)MUX層這個(gè)接口來(lái)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存機制，將共享內存作為一種虛擬網(wǎng)絡(luò )設備，設計了基于共享內存的END驅動(dòng)?；诠蚕韮却娴腅ND驅動(dòng)不再利用物理網(wǎng)絡(luò )設備的中斷服務(wù)程序進(jìn)行數據的收發(fā)，而是直接使用底層共享內存機制的收發(fā)例程完成數據的收發(fā)，從而實(shí)現主從系統之間的網(wǎng)絡(luò )通信方式。

　　具體來(lái)看，SM END模型可以分為三部分，初始化、加載與啟動(dòng)。SM END的初始化與標準END的初始化步驟相同，具體方法在稍后的實(shí)現部分說(shuō)明。加載SM END設備，即向系統注冊SM END驅動(dòng)模塊，也與標準END的加載過(guò)程相同。啟動(dòng)部分有區別，因為共享內存并不是真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò )設備，因此它不能像物理設備那樣通過(guò)中斷觸發(fā)數據的收發(fā)。本文利用底層的共享內存驅動(dòng)機制實(shí)現數據的接收，即在啟動(dòng)SM END驅動(dòng)時(shí)向底層的共享內存驅動(dòng)模塊先注冊一個(gè)回調函數(SmEndCallBack()函數)，底層的共享內存驅動(dòng)收到數據后，再調用此前SM END向其注冊的回調函數，進(jìn)行數據的接收處理。在發(fā)送數據時(shí)，SM END驅動(dòng)可以直接調用SM驅動(dòng)的發(fā)送例程進(jìn)行數據發(fā)送?；赟M END的數據收發(fā)流程如圖2(c)、2(d)所示。

　　圖2 數據接收和發(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存機制的，這樣，在編碼實(shí)現SM END驅動(dòng)時(shí)，只需要調用底層具體的共享內存機制向上提供的發(fā)送和接收接口函數就能實(shí)現不同共享內存機制下的SM END驅動(dòng)。

　　SM END的實(shí)現上，需要完成兩部分任務(wù)，一部分為SM END設備的初始化，一部分為SM END需要提供的接口函數。SM END設備的初始化部分，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(lái)講有兩步工作要做：第一，在系統中添加END機制模塊，即在BSP目錄的config.h文件中增加宏INCLUDE_END;第二，向系統注冊SM END設備，即在BSP目錄的configNet.h文件的全局變量endDevTbl中增加SM END設備對應項。

　　SM END驅動(dòng)需要提供的接口函數必須與標準END驅動(dòng)接口函數一致，表1列出了SM END驅動(dòng)所提供的全部接口函數。其中，SmEndLoad()函數完成向系統加載SM END驅動(dòng)模塊的功能，具體來(lái)說(shuō)，它需要創(chuàng )建并初始化SM END數據結構，并為SM END驅動(dòng)模塊分配內存以緩存發(fā)送和接收的數據包。SmEndStart()函數啟動(dòng)SM END設備，內部實(shí)現是向底層的共享內存驅動(dòng)模塊注冊回調函數，當共享內存驅動(dòng)收到數據后再調用此回調函數進(jìn)行數據包的接收。SmEndSend()函數通過(guò)調用SM模塊的發(fā)送例程實(shí)現END層的數據發(fā)送功能。SM END驅動(dòng)必須能夠支持多播，SmEndMCastAdd()、SmEndMCastDel()和SmEndMCastGet()實(shí)現SM END設備對多播的支持。此外，SM END驅動(dòng)還提供對數據包的操縱函數和I/O控制等等支持。

　　表1 SM END驅動(dòng)的接口函數列表

　　4 結束語(yǔ)

　　本文在詳細分析了VxWorks中END驅動(dòng)工作原理的基礎上，結合實(shí)際需要，提出了基于共享內存的END驅動(dòng)模型，該SM END驅動(dòng)模型獨立于具體的共享內存機制，在一種共享內存機制下實(shí)現了SM END驅動(dòng)。本文提出的SM END驅動(dòng)模型為分布式多處理器系統間提供了一種通過(guò)CompactPCI總線(xiàn)而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信的方式，使得系統兩側的上層網(wǎng)絡(luò )應用程序可以通過(guò)標準網(wǎng)絡(luò )接口與對側系統進(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)現了基于共享內存的END驅動(dòng)模型，使得分布式多處理器系統間可以通過(guò)CompactPCI總線(xiàn)進(jìn)行標準的網(wǎng)絡(luò )通信。

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