CN104468404A - 一种缓冲区配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据传输技术。本发明针对现有技术DMA数据传输系统对缓存占用大的问题公开了一种缓冲区配置方法，包括步骤：A、构建一个长度为n的缓冲区描述符BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；B、申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；C、申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，启动硬件接收，k为正整数，k≤m；D、BD完成直接存储器访问DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。本发明算法简单，能够保证在性能不受影响的情况下，减少缓存占用。

Description

一种缓冲区配置方法及装置

技术领域

本发明涉及数据传输技术，特别涉及数据传输系统缓冲区配置方法及装置。

背景技术

随着网络的飞速发展，网络设备性能大幅提升。以路由器设备为例，接口速度从以前的百兆口发展到现在的万兆口。在呈现形式上，固化口和可扩展口数目也在不断增加。网络设备性能的提升，必然要求CPU处理速度和内存容量相应增加。对于任何一种设备，内存都是重要资源，在性能一定的情况下，软件对内存的消耗越小越好。

数据通信设备中，路由器是一种工作于网络边缘的数据选路设备。路由器中的各个通信接口在实现数据传输的方式上可能各有不同。其中非常重要的一种传输方式是DMA(Directory Memory Access，直接存储器访问)传输。DMA传输是相对于中断传输的一种数据传输方式，其基本原理是通过DMA控制器，将数据在内存和外设之间进行独立传输，而不需要CPU中断的干预，从而节约CPU资源。

一个完整的DMA传输过程必然经过下面4个步骤：

1、DMA请求

CPU对DMA控制器初始化，并向I/O(input/output)接口发出操作命令，I/O接口提出DMA请求。

2、DMA响应

DMA控制器对DMA请求判别优先级及屏蔽，向总线裁决逻辑提出总线请求。当CPU执行完当前总线周期，即可释放总线控制权。此时，总线裁决逻辑输出总线应答，表示DMA已经响应，通过DMA控制器通知I/O接口开始DMA传输。

3、DMA传输

DMA控制器获得总线控制权后，CPU即刻挂起或只执行内部操作，由DMA控制器输出读写命令，直接控制RAM(Random-Access Memory)与I/O接口进行DMA传输。在DMA控制器的控制下，在存储器和外部设备之间直接进行数据传送，在传送过中不需要中央处理器的参与。开始时需提供要传送的数据的起始位置和数据长度。

4、DMA结束

当完成规定的数据传送后，DMA控制器即释放总线控制权，并向I/O接口发出结束信号。当I/O接口收到结束信号后，一方面停止I/O设备的工作，另一方面向CPU提出中断请求，使CPU从不介入的状态解脱，并执行一段检查本次DMA传输操作正确性的代码。最后，带着本次操作结果及状态继续执行原来的程序。

由此可见，DMA传输方式无需CPU直接控制，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为内存与外设开辟一条直接传送数据的通路，使CPU的效率大为提高。

在数据通信领域，主流CPU通信处理子模块都大量使用了DMA传输机制。DMA传输机制的实现，均需要在内存中分配一片环状缓冲区，用于存放DMA操作所需要的状态和数据，行业里面称成这片区域为BD(Buffer Descriptor，缓冲区描述符)。

DMA数据接收过程中，BD通常配置成环状，称为BD环。BD环结构一般可以分成两部分：状态域和指针域，分别为4字节，合计8个字节长度。状态域一般包含接收使能位、中断使能位和接收状态域；指针域用于存放待操作的缓存地址。实现DMA数据接收处理流程，当前业界通常的作法主要有下面两种方案。

方案一

申请包含n个BD的BD环；

申请n个缓冲区(buffer)，挂到BD环上；

将BD环信息设置到硬件；

初始化所有BD，并打开中断，设置BD状态为可以接收状态；

使能硬件接收；

每个BD完成DMA接收后会产生中断，在中断服务程序中唤醒接收任务；

接收任务主要是查询状态为“接收完成”的BD，摘除其缓存交给上层模块处理，同时申请新的缓冲区，挂接到该BD上，并将该BD重新置为“可以开始接收”状态。

BD环结构图1所示。

接受任务中获取在中断处理函数中释放的信号量，防止接收任务空转以节约CPU资源。接收任务处理流程如图2所示。

该方案的优点是实现简单，尤其是初始化过程，一开始就挂满BD环，只需要在接收任务中，逐个回收并重新挂接。但是有一个缺点：在任何时候BD环都是满的，占用了n个缓冲区。如果接口密度大，并且BD环比较长，就会占用大量的缓存。比如一个千兆以太口，BD个数为1024，当存在20个GE(Gigabit Ethernet)口的时候，任何时间都会至少需要20k个缓冲区。

方案二

与方案一基本上相同，主要区别在于不用打开DMA中断。根据系统不同，接收数据的操作可能是单独任务，也可能是专用模块的轮询调用接收处理接口。与方案一存在同样的缺点，这里不再赘述。

上述两种方案，在低速率低密度接口上缺陷不太明显，但是一旦在高速率和高密度设备上，占用的缓存的数目就会很大，缺陷就会非常明显。

发明内容

本发明的目的就是提供一种缓冲区配置方法，在不影响系统性能的前提下，减少DMA数据传输系统对缓存的占用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种缓冲区配置方法，包括步骤：

A、构建一个长度为n的缓冲区描述符BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；

B、申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；

C、申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，启动硬件接收，k为正整数，k≤m；

D、BD完成直接存储器访问DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

优选的，所述方法还包括如下步骤：

E、接收任务获取接收信号量，从软件记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD，将其接收状态清零，并释放所述已经接收完成的BD挂接的缓冲区；

F、在缓冲区池中的m个缓冲区已经取出z个缓冲区后，再申请z个缓冲区补充到缓冲区池中。

优选的，m＜n/2。

优选的，当n取值为1024时，m取值为128。

具体的，所述步骤D具体为：BD完成DMA数据接收后，产生中断，在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环挂接的第k个缓冲区后面，并置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

本发明的另一个目的是，提供一种缓冲区配置装置，包括BD构造模块、缓存申请模块和中断处理模块，

所述BD构造模块，用于构建一个长度为n的BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；

所述缓存申请模块，用于申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；并用于申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，k为正整数，k≤m；

所述中断处理模块，用于BD完成DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

优选的，所述装置还包括数据传输模块，所述数据传输模块，用于从记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD，将其接收状态清零，并释放所述已经接收完成的BD挂接的缓冲区；

所述缓存申请模块，还用于在缓冲区池中的m个缓冲区已经取出z个缓冲区后，再申请z个缓冲区补充到缓冲区池中。

优选的，m＜n/2。

优选的，当n取值为1024时，m取值为128。

具体的，所述中断处理模块具体用于：BD完成DMA数据接收后，在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个缓冲区后面，并置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

本发明的有益效果是，本发明算法简单，能够保证在性能不受影响的情况下，减少缓存占用。有利于整个系统的缓存利用率的提升。

附图说明

图1是BD环结构示意图；

图2是现有技术DMA数据传输流程示意图；

图3是本发明流程示意图；

图4是本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的技术方案，通过创建缓冲区池，事先申请一定数量的缓冲区存放于其中，数据传输的时候不需要现场申请。在中断服务程序中直接从缓冲区池中获取已经分配好的缓冲区，节约了中断处理时间，提高了DMA控制器的工作效率。本发明中BD环分批次挂接缓冲区，可以根据系统参数，如接口速率、CPU时钟频率，数据流量等进行优化配置，以最少的缓冲区占用率完成DMA数据传输。

实施例

下面以千兆以太口为例对本发明的技术方案进行详细描述。如图3所示，本例包括步骤：

1、构建一个长度为n的BD环，先初始化为不可接收状态。

2、初始化时，先预申请m个缓冲区，存放于缓冲区池，用于批量挂接BD的时候索取缓冲区，以避免向系统申请缓冲区，减少时间开销。再申请m个缓冲区，挂接到BD环的前m个BD，并初始化对应BD为“可接收”状态，启动硬件接收。

3、当有BD完成DMA数据接收后，产生中断。

4、在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数，假设为z。从缓冲区池中获取z个缓冲区，从上一次挂接的最后一个BD后面开始挂。并初始化对应BD为可接收状态。释放接收信号量，唤醒接收任务。

5、接收任务中，拿到接收信号量，从软件记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD。将其状态清零，并摘除其挂接的缓冲区交给上层模块处理。同时申请z个缓冲区存放于缓冲区池。

本例中，关于BD环长度n和批次挂接缓冲区数量最大值m的取值，主要依据如下。

BD环的长度n：影响因素较复杂，没有一个精确的计算方式。其值主要由接口速率和CPU时钟频率决定，要求有相当数量的缓冲能力以提供足够的缓存处理能力，以及避免由于软件调度时延引起的缓冲区挂接不及时对DMA数据传输效率的影响。一般千兆口的BD数量可以设置为1024，百兆口的数量可以设置为512。即当n＝1024，1<m<1024/2。

批次挂接BD数量的最大值m：与接口速率和CPU时钟频率有关。批次挂接是在中断服务程序中挂接的，由于涉及的因素比较多，无法精确计算，只能先估算，然后根据实验结果进行调整。假设CPU频率为600MHz，RISC(Reduced Instruction Set Computing)架构，中断响应时间按照10个时钟周期计算，中断处理函数按照200行代码计算，汇编之后大约为600行汇编指令，每个指令都按照单周期指令计算。因此中断响应及中断处理时间为610*(1/600)μs，即大约是1μs时间。由于影响中断响应的因素很多，理论值与实际值差异比较大，只能估算到时间为μs级别。我们这里按照100μs来计算。按照千兆以太口速率，100μs最多产生的64字节的突发数据，报文个数为：1000*100/(64*8)＝195，考虑到线路中的循环冗余校验码字节和填充字节，该值会变更小，故m初值可以暂取为128。

批次挂接BD数量的最大值k的实验调整：与优化前的方案做接收性能对比实验，实施调整k值，直到接收性能不差于旧的方案即可。本例取k＝m可以简化处理流程。

本发明具备两个可以保证高性能和低缓冲区的必要条件：

在挂接缓冲区的时候，不需要在一开始的时候就挂满BD和在接收过程中逐个处理BD的时候申请新缓冲区并挂接。而是在中断服务程序中直接从缓冲区池中获取一批(k个)缓冲区直接挂到BD上，保证BD环中始终有k个可用BD供接收DMA使用。

本发明的缓冲区配置装置结构如图4所示，包括BD构造模块、缓存申请模块、中断处理模块和数据传输模块，

所述BD构造模块，用于构建一个长度为n的BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；

所述缓存申请模块，用于申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；并用于申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，k为正整数，k≤m；

所述中断处理模块，用于BD完成DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

所述数据传输模块，用于从记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD，将其接收状态清零，并释放所述已经接收完成的BD挂接的缓冲区；

所述缓存申请模块，还用于在缓冲区池中的m个缓冲区已经取出z个缓冲区后，再申请z个缓冲区补充到缓冲区池中。

所述中断处理模块具体用于：BD完成DMA数据接收后，在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个缓冲区后面，并置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

Claims (10)

1.一种缓冲区配置方法，其特征在于，包括步骤：

A、构建一个长度为n的缓冲区描述符BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；

B、申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；

C、申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，启动硬件接收，k为正整数，k≤m；

D、BD完成DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

2.根据权利要求1所述的缓冲区配置方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

E、接收任务获取接收信号量，从软件记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD，将其接收状态清零，并释放所述已经接收完成的BD挂接的缓冲区；

F、在缓冲区池中的m个缓冲区已经取出z个缓冲区后，再申请z个缓冲区补充到缓冲区池中。

3.根据权利要求1或2所述的缓冲区配置方法，其特征在于，m＜n/2。

4.根据权利要求1或2所述的数据传输系统缓存配置方法，其特征在于，当n取值为1024时，m取值为128。

5.根据权利要求1或2所述的缓冲区配置方法，其特征在于，所述步骤D具体为：BD完成DMA数据接收后，产生中断，在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环挂接的第k个缓冲区后面，并置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

6.一种缓冲区配置装置，其特征在于，所述装置包括BD构造模块、缓存申请模块和中断处理模块，

所述BD构造模块，用于构建一个长度为n的BD环，初始化为不可接收状态；n为正整数，由系统参数决定；

所述缓存申请模块，用于申请m个缓冲区，存放于缓冲区池；m为正整数，m＜n；并用于申请k个缓冲区，挂接到所述BD环的前k个上，对应BD置于可接收状态，k为正整数，k≤m；

所述中断处理模块，用于BD完成DMA数据接收后，查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个BD后面，对应BD置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。

7.根据权利要求6所述的缓冲区配置装置，其特征在于，所述装置还包括数据传输模块，

所述数据传输模块，用于从记录的当前BD开始轮询，依次处理当前已经接收完成的BD，将其接收状态清零，并释放所述已经接收完成的BD挂接的缓冲区；

所述缓存申请模块，还用于在缓冲区池中的m个缓冲区已经取出z个缓冲区后，再申请z个缓冲区补充到缓冲区池中。

8.根据权利要求6或7所述的缓冲区配置装置，其特征在于，m＜n/2。

9.根据权利要求6或7所述的缓冲区配置装置，其特征在于，当n取值为1024时，m取值为128。

10.根据权利要求6或7所述的缓冲区配置装置，其特征在于，所述中断处理模块具体用于：BD完成DMA数据接收后，在中断服务程序中查询当前完成接收的BD个数z，从缓冲区池中取z个缓冲区，挂接到所述BD环的第k个缓冲区后面，并置为可接收状态，释放接收信号量，唤醒接收任务。