摘 要： AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)符合ARINC664P7協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸功能，在AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收方面，總結(jié)了AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，分析了查詢接收方式和中斷接收方式各自的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于查詢和中斷的混合式數(shù)據(jù)接收方法。該方法在保證查詢接收方式高效的前提下，有效降低了對(duì)主機(jī)系統(tǒng)處理器資源的占用，并解決了中斷接收方式引起的丟包問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： AFDX端系統(tǒng)；數(shù)據(jù)接收方法；查詢；中斷
AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)符合ARINC664P7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸接口功能，支持主機(jī)系統(tǒng)接入AFDX網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)以接口卡的形式與主機(jī)系統(tǒng)連接，并支持主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送和接收AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收一般在主機(jī)系統(tǒng)端通過(guò)軟件完成，主機(jī)端軟件通過(guò)查詢或者中斷的方式接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。采用查詢的方式增加了主機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載；中斷的方式降低了系統(tǒng)的負(fù)載，但是頻繁的數(shù)據(jù)接收中斷會(huì)存在中斷嵌套及覆蓋的情況，導(dǎo)致中斷的丟失現(xiàn)象，引起數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種中斷和查詢結(jié)合的數(shù)據(jù)接收方法，減輕主機(jī)系統(tǒng)負(fù)載的同時(shí)，避免了由于中斷丟失而引起的數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題。
1 AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)通信分析
AFDX網(wǎng)絡(luò)在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了確定性及雙通道的約束，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。在以AFDX網(wǎng)絡(luò)為核心的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)接口卡，將各個(gè)主機(jī)系統(tǒng)連接至核心網(wǎng)絡(luò)，其主要作用[1]如下。
?。?）實(shí)現(xiàn)基于IEEE 802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理層；
?。?）實(shí)現(xiàn)基于虛擬鏈路VL的通信調(diào)度功能；
?。?）實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議、UDP/IP通信協(xié)議棧；
?。?）面向主機(jī)系統(tǒng)提供采樣、周期及SAP通信端口服務(wù)。
1.1 網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)架構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)的AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用雙冗余的設(shè)計(jì)，采用星形的結(jié)構(gòu)，其基本架構(gòu)[2]如圖1所示。
圖1描述了3個(gè)主機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的雙余度AFDX網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩臺(tái)互為備份的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙路冗余數(shù)據(jù)的傳輸，即使端系統(tǒng)模塊單個(gè)端口或者某個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障，仍可以由另外一個(gè)端口通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性。在圖1中，網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)安裝在主機(jī)模塊，構(gòu)成主機(jī)系統(tǒng)，支持主機(jī)系統(tǒng)的AFDX網(wǎng)絡(luò)通信，端系統(tǒng)模塊與主機(jī)模塊一般采用PCI總線，利用PMC接口實(shí)現(xiàn)主機(jī)模塊與端系統(tǒng)模塊的交互，端系統(tǒng)和主機(jī)模塊架構(gòu)如圖2所示。
圖2中，端系統(tǒng)通過(guò)PCI接口與主機(jī)模塊連接，和主機(jī)模塊一起構(gòu)成一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)雙通道CHA和CHB與外部AFDX網(wǎng)絡(luò)交互。采用圖2的方式，端系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的接收、有效性檢查、UDP/IP協(xié)議棧處理、數(shù)據(jù)解包等工作，直接將有效的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳送至主機(jī)模塊。主機(jī)模塊只需從相應(yīng)的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀操作即可完成數(shù)據(jù)接收，而不用進(jìn)行大運(yùn)算量的AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理工作，減少了主機(jī)模塊的運(yùn)行負(fù)載。
1.2 AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分類及其接收方式分析
AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分為采樣數(shù)據(jù)、隊(duì)列數(shù)據(jù)及SAP數(shù)據(jù)3種。其中，采樣數(shù)據(jù)為周期性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以一定的周期進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)采用覆蓋的方式，新數(shù)據(jù)到來(lái)將會(huì)覆蓋舊數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)適用于周期性的狀態(tài)消息，且應(yīng)用僅關(guān)心最近一次采樣數(shù)據(jù)。隊(duì)列數(shù)據(jù)為事件性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的到來(lái)沒(méi)有特定的規(guī)律，以隨機(jī)的形式進(jìn)行傳輸，因此，隊(duì)列數(shù)據(jù)需要一定深度的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，而當(dāng)緩沖區(qū)滿后，新來(lái)的數(shù)據(jù)被丟棄，隊(duì)列數(shù)據(jù)適用于事件性的消息傳輸。AFDX網(wǎng)絡(luò)SAP數(shù)據(jù)主要用于高層協(xié)議，支持目的IP及端口號(hào)的設(shè)定等功能，一般不用于普通的AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。
數(shù)據(jù)的接收一般分為查詢方式和中斷方式兩種。查詢方式具備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)吞吐量較快的優(yōu)勢(shì)，但查詢方式在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍在進(jìn)行查詢操作，因此，查詢方式增加了處理器的負(fù)擔(dān)，對(duì)于任務(wù)較重的主機(jī)系統(tǒng)，不適合用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。采用中斷的方式，數(shù)據(jù)接收可大大減輕處理器的負(fù)擔(dān)，僅當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，處理器才參與數(shù)據(jù)接收，但當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，會(huì)引起頻繁的中斷。由于中斷嵌套及覆蓋等原因，會(huì)存在中斷丟失或響應(yīng)不及時(shí)的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或順序錯(cuò)亂。
對(duì)于AFDX網(wǎng)絡(luò)基本通信，包括采樣數(shù)據(jù)通信和隊(duì)列數(shù)據(jù)通信兩種。采樣數(shù)據(jù)本身具有周期性的特點(diǎn)，因此，在主機(jī)模塊接收可以采用查詢的方式，主機(jī)模塊以定時(shí)器的方式按照采樣數(shù)據(jù)的周期每隔一定的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)接收即可，不會(huì)造成主機(jī)模塊的無(wú)效查詢和處理器資源的浪費(fèi)。而對(duì)于隊(duì)列數(shù)據(jù)，其具有不可預(yù)知的特點(diǎn)，因此，對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)傳輸，采用查詢方式進(jìn)行接收能夠提高數(shù)據(jù)接收的效率，而對(duì)于數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)傳輸，采用中斷的方式可以節(jié)省處理器資源，降低主機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于其數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢深A(yù)知性，對(duì)于隊(duì)列數(shù)據(jù)，單獨(dú)采用查詢方式或者中斷方式無(wú)法滿足既降低主機(jī)負(fù)載又提高接收效率的數(shù)據(jù)接收要求。
2 端系統(tǒng)接收方法設(shè)計(jì)
針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)隊(duì)列數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為了滿足既降低主機(jī)負(fù)載又提高接收效率的要求，本文提出一種將中斷和查詢結(jié)合起來(lái)的方式，在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不消耗主機(jī)處理器資源，在數(shù)據(jù)傳輸量較大時(shí)，以查詢的方式進(jìn)行接收從而提高數(shù)據(jù)接收效率。
本文端系統(tǒng)接收方法核心思想是：通過(guò)中斷通知主機(jī)接收數(shù)據(jù)，而在數(shù)據(jù)接收時(shí)通過(guò)查詢方式進(jìn)行。端系統(tǒng)接收方法設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3（a）為端系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)接收流程，圖3（b）為主機(jī)模塊數(shù)據(jù)接收流程。在端系統(tǒng)模塊，當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上接收到數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的正確性校驗(yàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤時(shí)，將數(shù)據(jù)中的UDP/IP協(xié)議頭及校驗(yàn)等信息去除，進(jìn)行解包處理，獲取到有效數(shù)據(jù)，并通過(guò)DMA的方式將有效數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)模塊內(nèi)存中，檢測(cè)數(shù)據(jù)的類型，當(dāng)為隊(duì)列數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)主機(jī)PCI中斷信號(hào)，通知主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。在主機(jī)模塊，當(dāng)有中斷信號(hào)發(fā)生時(shí)，獲取數(shù)據(jù)端口號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)完成一次數(shù)據(jù)接收后，繼續(xù)查看數(shù)據(jù)接收隊(duì)列是否為空，如果不為空，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)接收隊(duì)列為空。
圖3中在主機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，需要查詢接收隊(duì)列，接收隊(duì)列存放了端系統(tǒng)模塊接收到的消息的端口號(hào)信息，接收隊(duì)列存放在端系統(tǒng)模塊上，通過(guò)PCI地址映射，在主機(jī)模塊上可以訪問(wèn)。
消息接收隊(duì)列緩沖區(qū)如圖4所示。在端系統(tǒng)模塊上，消息接收隊(duì)列緩沖區(qū)以循環(huán)雙口RAM形式進(jìn)行維護(hù)，提供讀指針PR給主機(jī)模塊，提供寫(xiě)指針PW給端系統(tǒng)模塊。當(dāng)端系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)PW指針將接收到數(shù)據(jù)的端口號(hào)信息寫(xiě)至消息接收隊(duì)列，然后PW指針加1；當(dāng)PW指針超過(guò)緩沖區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，PW指針重新指向緩沖區(qū)對(duì)頭第一個(gè)緩沖區(qū)。當(dāng)主機(jī)模塊接收到中斷信號(hào)后，通過(guò)PR指針依次從消息隊(duì)列中取出端口號(hào)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，直至消息隊(duì)列中無(wú)數(shù)據(jù)。即PR和PW相等時(shí)，PR指針每取出一個(gè)端口號(hào)進(jìn)行加1操作，當(dāng)超過(guò)緩沖區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，PR指針重新指向緩沖區(qū)對(duì)頭的第一個(gè)緩沖區(qū)。
采用圖3的數(shù)據(jù)接收流程和圖4所示端系統(tǒng)消息接收隊(duì)列，將中斷方式和查詢方式結(jié)合起來(lái)。一方面，一次中斷就可以將接收隊(duì)列中的數(shù)據(jù)全部接收，即中斷后采用查詢方式將接收隊(duì)列中的數(shù)據(jù)全部接收，提高接收效率；另一方面，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)模塊不進(jìn)行接收的任何操作，不用增加主機(jī)負(fù)載。同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)丟中斷的情況時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，數(shù)據(jù)會(huì)在上一次中斷或下一次中斷時(shí)通過(guò)查詢的方式被接收。
3 端系統(tǒng)接收方法實(shí)現(xiàn)
端系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)了AFDX網(wǎng)絡(luò)功能，向主機(jī)模塊提供了數(shù)據(jù)接收的API接口。在端系統(tǒng)接收方法的實(shí)現(xiàn)上，一方面需要在主機(jī)模塊上維護(hù)消息接收的中斷處理函數(shù)；另一方面，需要設(shè)計(jì)阻塞式接收的API接口，提供給主機(jī)應(yīng)用使用。
軟件設(shè)計(jì)上利用信號(hào)量機(jī)制[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收功能。在主機(jī)模塊初始化時(shí)，建立信號(hào)量，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收中斷發(fā)生時(shí)，在中斷函數(shù)中，首先通過(guò)semGive函數(shù)釋放信號(hào)量，然后進(jìn)行清中斷操作。主機(jī)模塊數(shù)據(jù)接收API函數(shù)設(shè)計(jì)如圖5所示。
如圖5所示，數(shù)據(jù)接收API函數(shù)在運(yùn)行時(shí)，首先判斷接收標(biāo)識(shí)是否為0，如果接收標(biāo)志為0，表明無(wú)中斷通知主機(jī)有數(shù)據(jù)，通過(guò)semTake函數(shù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；如果接收標(biāo)志不為0，表明已經(jīng)有中斷通知主機(jī)有數(shù)據(jù)，且接收隊(duì)列不為空，則直接從接收隊(duì)列中獲取接收端口號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。當(dāng)在中斷處理函數(shù)中通過(guò)semGive釋放信號(hào)量后，主機(jī)模塊接收API獲取到信號(hào)量，首先將接收標(biāo)志置1，然后遍歷接收隊(duì)列，將接收隊(duì)列中端口號(hào)信息的數(shù)據(jù)接收完成之后，將接收標(biāo)志置0，完成一次中斷接收過(guò)程。
主模塊數(shù)據(jù)接收API函數(shù)采用阻塞接收的方式，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)量且接收標(biāo)志為0時(shí)，API函數(shù)處于阻塞狀態(tài)，不占用主機(jī)模塊的處理器資源，而僅當(dāng)有接收中斷發(fā)生時(shí)，才占用處理器資源進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。
本文總結(jié)了AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收方式及利用中斷和查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的不足，設(shè)計(jì)了一種將中斷和查詢兩種方式混合在一起的數(shù)據(jù)接收方式，并對(duì)其進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這種方式，很好地解決了AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢接收方式主機(jī)負(fù)載重的問(wèn)題，也解決了AFDX網(wǎng)絡(luò)中斷接收方式丟包的問(wèn)題，在保證數(shù)據(jù)高效接收的同時(shí)，降低了處理處理器資源的占用，在AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用。
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