基于共享內存的END驅動設計與實現

　　1 引言

　　END是嵌入式實時操作系統VxWorks中工作在數據鏈路層的一種網絡驅動模型，該模型定義了與MUX層交互的標準接口，用戶只需要根據特定的網絡接口硬件特性按要求提供這些接口即可實現END層與網絡協議層的通信。END驅動模型的存在，使得VxWorks可以滿足嵌入式產品對各種網絡接口硬件的適應性和通用性，也使得通過軟件模擬的滿足END驅動特性的虛擬網絡接口成為可能。

　　在基于總線的分布式多處理器系統中，SM是應用較為廣泛的實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任務可以像在單一系統中的兩個任務一樣進行透明的進程間通信。

　　基于SM的END驅動，從軟件上將共享內存模擬為一個虛擬的網絡接口，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CompactPCI總線進行標準的網絡通信。

　　2 END機制分析

　　VxWorks中的增強型網絡驅動END是一個使用MUX功能來與網絡協議進行通信的數據鏈路層驅動模型。MUX是數據鏈路層與網絡層之間的接口， VxWorks提供MUX層以支持數據鏈路層與網絡層的相互獨立性。

　　在VxWorks的這種架構下，網絡層協議和數據鏈路層驅動程序不能直接通信，而必須通過MUX。網絡層要調用數據鏈路層上的驅動程序以發送數據，那么網絡協議就需要調用相關的MUX例程，同樣鏈路層上的驅動程序需要訪問網絡層(IP或其他協議)時，也需要調用相關的MUX例程。圖1給出了網絡層、MUX層和驅動層三者之間的接口。

　　圖1 協議層、驅動層與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，接著應該在系統初始化時通過MUX層接口加載END設備，然后可以通過MUX層接口啟動END設備驅動或將網絡協議綁定到END設備。在中斷模式下時，END層的啟動例程在啟動設備的同時需要連接中斷服務程序，當END設備收到數據包而引起中斷時，會調用此中斷服務程序進行數據接收工作;另一方面，網絡協議也可以通過MUX層接口將它自身綁定到END設備以實現輪詢模式的工作方式。

　　當VxWorks收到由數據到達引起的中斷時，它調用由END啟動例程注冊的中斷服務程序。該中斷服務程序將數據幀從本地硬件傳遞到系統緩存，并通過回調函數將此數據緩存傳遞到MUX層。MUX層接收例程進而調用協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送數據時，通過協議層的接口調用MUX層的發送例程，MUX發送例程通過回調函數將數據緩存傳遞給END驅動，END驅動進而將要發送的數據緩存復制到設備的發送隊列，當設備收到發送數據中斷時，中斷服務程序調用發送函數將設備發送隊列中的數據發送出去。END機制下的數據接收和發送過程分別如圖2(a)、2(b)所示。

　　3 SM END設計與實現

　　從上面對END驅動工作原理的分析過程中可以看出，在這樣一種模型下，END驅動程序和上層協議之間是透明的，它們并不了解彼此的內部信息，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驅動程序或協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存機制，將共享內存作為一種虛擬網絡設備，設計了基于共享內存的END驅動。基于共享內存的END驅動不再利用物理網絡設備的中斷服務程序進行數據的收發，而是直接使用底層共享內存機制的收發例程完成數據的收發，從而實現主從系統之間的網絡通信方式。

　　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部分說明。加載SM END設備，即向系統注冊SM END驅動模塊，也與標準END的加載過程相同。啟動部分有區別，因為共享內存并不是真實的物理網絡設備，因此它不能像物理設備那樣通過中斷觸發數據的收發。本文利用底層的共享內存驅動機制實現數據的接收，即在啟動SM END驅動時向底層的共享內存驅動模塊先注冊一個回調函數(SmEndCallBack()函數)，底層的共享內存驅動收到數據后，再調用此前SM END向其注冊的回調函數，進行數據的接收處理。在發送數據時，SM END驅動可以直接調用SM驅動的發送例程進行數據發送。基于SM END的數據收發流程如圖2(c)、2(d)所示。

　　圖2 數據接收和發送流程

　　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，在編碼實現SM END驅動時，只需要調用底層具體的共享內存機制向上提供的發送和接收接口函數就能實現不同共享內存機制下的SM END驅動。

　　SM END的實現上，需要完成兩部分任務，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提供的框架下進行簡單的操作即可，具體來講有兩步工作要做：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驅動需要提供的接口函數必須與標準END驅動接口函數一致，表1列出了SM END驅動所提供的全部接口函數。其中，SmEndLoad()函數完成向系統加載SM END驅動模塊的功能，具體來說，它需要創建并初始化SM END數據結構，并為SM END驅動模塊分配內存以緩存發送和接收的數據包。SmEndStart()函數啟動SM END設備，內部實現是向底層的共享內存驅動模塊注冊回調函數，當共享內存驅動收到數據后再調用此回調函數進行數據包的接收。SmEndSend()函數通過調用SM模塊的發送例程實現END層的數據發送功能。SM END驅動必須能夠支持多播，SmEndMCastAdd()、SmEndMCastDel()和SmEndMCastGet()實現SM END設備對多播的支持。此外，SM END驅動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驅動的接口函數列表

　　4 結束語

　　本文在詳細分析了VxWorks中END驅動工作原理的基礎上，結合實際需要，提出了基于共享內存的END驅動模型，該SM END驅動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現了SM END驅動。本文提出的SM END驅動模型為分布式多處理器系統間提供了一種通過CompactPCI總線而進行網絡通信的方式，使得系統兩側的上層網絡應用程序可以通過標準網絡接口與對側系統進行透明的網絡通信。

　　本文作者創新點：提出并實現了基于共享內存的END驅動模型，使得分布式多處理器系統間可以通過CompactPCI總線進行標準的網絡通信。

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