專利名稱:一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒跋到y(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)通信領域，尤其涉及一種外圍設備和用戶程序之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒跋到y(tǒng)。
背景技術：
目前，在很多面向特殊用途的芯片解決方案中，普遍采用的是通用中央處理器(Central Processing Unit，CPU)核加數(shù)字信號處理(Digital SignalProcessing，DSP)引擎的嵌入式系統(tǒng)架構，如網(wǎng)際協(xié)議(Internet Protocol，IP)處理器、第三代(3G)手機芯片、IP電視(IPTV)的芯片等。Linux是嵌入式系統(tǒng)采用的主流操作系統(tǒng)之一。
在以Linux構建的嵌入式系統(tǒng)中，CPU核以外的處理設備，如輸入/輸出(Input/Output，I/O)設備等外圍設備與主存之間的數(shù)據(jù)通訊通常采用直接內(nèi)存訪問(Direct Memory Access，DMA)方式。由于CPU與外圍設備的通信性能限制，一般必須在系統(tǒng)啟動時在主存中配置固定的內(nèi)存空間作為DMA緩沖區(qū)，實現(xiàn)內(nèi)存和外部存儲器之間的數(shù)據(jù)交換，而不是在每次通訊時動態(tài)配置。另外，主存中還必須保持若干個由操作系統(tǒng)可以直接訪問的內(nèi)核緩沖區(qū)，緩沖外圍設備和主存之間需要交換的數(shù)據(jù)。
由于Linux系統(tǒng)采用虛擬地址映射，用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)均不能直接訪問對方的地址空間。因此，通常用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的相互通訊有兩種方式一是將數(shù)據(jù)在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間做一次拷貝，這種方式適用于數(shù)據(jù)量小，且性能不敏感的應用。二是使用地址映射，即將用戶態(tài)地址和物理地址都映射到同一塊物理內(nèi)存，這種方式適用于數(shù)據(jù)量大，且性能要求較高的應用，在實現(xiàn)時主要分成兩個階段
1.外圍設備驅動使用DMA方式從DMA緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù)；2.用戶程序使用操作系統(tǒng)從內(nèi)核緩沖區(qū)調(diào)用存取數(shù)據(jù)；在階段1中，當外圍設備使用DMA方式對預先配置的DMA緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)存取后，觸發(fā)中斷通知操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢，中斷例程調(diào)度其他程序將DMA緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)。在階段2中，用戶程序使用系統(tǒng)調(diào)用獲取內(nèi)核緩沖區(qū)對應的用戶態(tài)地址。
在上述方案中，由于用戶程序與設備外圍設備之間的數(shù)據(jù)通訊至少要經(jīng)歷一次拷貝，數(shù)據(jù)通訊效率比較低。同時，使用DMA方式寫數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)緩沖使用無緩沖(uncached)模式且采取靜態(tài)分配模式，讀取效率低下。由于地址映射是很費時的操作，因此，當用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)通訊使用地址映射方式時，通常使用大塊連續(xù)內(nèi)存，一次映射就緒，并由相應的內(nèi)核模塊來管理這塊內(nèi)存。除非使用保留內(nèi)存，很難在系統(tǒng)運行一段時間之后分配到大塊連續(xù)內(nèi)存。同時，如果與外圍設備通訊的數(shù)據(jù)大小有很大波動，則會導致保留內(nèi)存中出現(xiàn)大量碎片。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實施例的目的在于提供一種數(shù)據(jù)傳輸方法和系統(tǒng)，實現(xiàn)兩個通信方之間的數(shù)據(jù)零拷貝通信。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提出的技術方案如下一種數(shù)據(jù)傳輸方法，所述方法基于主存緩沖區(qū)和內(nèi)核實現(xiàn)，所述主存緩沖區(qū)包括至少兩個緩沖塊，每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息，所述方法包括下述步驟第一通信方從內(nèi)核獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，并將數(shù)據(jù)寫入對應的空閑緩沖塊；第二通信方從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的的指示信息，并從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。
一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一通信方、第二通信方、內(nèi)核和主存緩沖區(qū)；主存緩沖區(qū)包括至少兩個緩沖塊，每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息；內(nèi)核，用于管理緩沖塊的指示信息；第一通信方，從主存緩沖區(qū)獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，并將數(shù)據(jù)塊寫入對應的空閑緩沖塊；第二通信方，從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，并從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。
本發(fā)明實施例通過將主存緩沖區(qū)劃分為至少兩個緩沖塊，并在兩個通信方之間進行通信時，采用讓對方獲取承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，對方根據(jù)指示信息直接去緩沖塊讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙方通信中的數(shù)據(jù)零拷貝，有效提高了系統(tǒng)性能，節(jié)省了寶貴的內(nèi)存資源，降低了系統(tǒng)成本。
圖1是本發(fā)明實施例中緩沖塊的狀態(tài)遷移示意圖；圖2是本發(fā)明實施例中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)原理圖；圖3是本發(fā)明實施例中數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)結構圖。
具體實施方式為了使本發(fā)明實施例的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明實施例進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實施例適用于包含內(nèi)核的操作系統(tǒng)，且操作系統(tǒng)中的用戶程序與內(nèi)核對應不同的地址空間，在本發(fā)明實施例中，外圍設備與用戶程序之間動態(tài)交換緩沖塊指示信息，同時結合地址映射實現(xiàn)了用戶程序與外圍設備之間數(shù)據(jù)的零拷貝，可以大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸性能。
在本發(fā)明實施例中，內(nèi)核將主存緩沖區(qū)劃分為至少兩個緩沖塊，對應每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息，指示信息可以為緩沖塊指針，也可以為指代緩沖塊的信息體，信息體可以包含緩沖塊指針，指示信息通常是由內(nèi)核進行管理。該指示信息包含對應緩沖塊的物理地址。緩沖塊的大小可以相等，以方便內(nèi)核管理，每個緩沖塊的大小不限，一般為主存緩沖區(qū)的最小自然單位，當然緩沖塊的大小也可以不相等。這樣就可以將用戶數(shù)據(jù)分解成以緩沖塊為單元的數(shù)據(jù)組，然后通過緩沖塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
如圖1所示，為方便管理，可以根據(jù)當前使用者的不同，將主存緩沖區(qū)中的緩沖塊分為以下四個狀態(tài)自由態(tài)此時緩沖塊未寫入數(shù)據(jù)，處于空閑狀態(tài)，可以隨時被外圍設備或者用戶程序取用；外圍設備占用態(tài)緩沖塊被外圍設備占用，外圍設備可以讀寫數(shù)據(jù)；內(nèi)核占用態(tài)此時緩沖塊中已經(jīng)有數(shù)據(jù)，且被內(nèi)核所使用；用戶程序占用態(tài)此時緩沖塊被用戶程序占用，用戶程序可以讀寫數(shù)據(jù)。
狀態(tài)遷移的方式可以為從自由態(tài)轉移到用戶程序占用態(tài)再轉換到內(nèi)核占用態(tài)或逆向轉換，也可以為從自由態(tài)轉移到外圍設備占用態(tài)再轉移到內(nèi)核占用態(tài)或逆向轉移。
每個狀態(tài)中的所有緩沖塊的指示信息可以用一個隊列來管理，每一個指示信息隊列對應一個相同狀態(tài)的緩沖塊隊列，本發(fā)明實施例中，對應四種緩沖塊狀態(tài)，指示信息隊列相應包括自由態(tài)緩沖塊指示信息隊列，用于指示處于自由態(tài)的空閑緩沖塊；內(nèi)核占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列，用于指示處于內(nèi)核占用態(tài)的緩沖塊；外圍設備占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列，用于指示處于外圍設備占用態(tài)的緩沖塊；用戶程序占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列，用于指示處于用戶程序占用態(tài)的緩沖塊；
當然，根據(jù)需要，還可以設定不同狀態(tài)的緩沖塊及相應的指示信息隊列。
作為本發(fā)明的另一實施例，每一個緩沖塊的狀態(tài)也可以使用主存緩沖區(qū)首部的狀態(tài)記錄表來記錄，這樣只需要一個緩沖塊隊列就可以記錄所有緩沖塊的狀態(tài)了。
由于外圍設備和用戶程序使用的是不同的地址空間，因此緩沖塊的交換需要結合地址映射。當數(shù)據(jù)從外圍設備傳輸?shù)接脩舫绦驎r，需要將緩沖塊的物理地址映射到用戶空間，建立緩沖塊的物理地址與用戶態(tài)地址之間的映射。在用戶空間，每一個緩沖塊都有一個單獨的用戶態(tài)地址，每一個用戶態(tài)地址分別對應唯一的物理地址。
地址映射的方式可以在傳輸數(shù)據(jù)之前進行，也可以在將數(shù)據(jù)寫入緩沖塊后進行。
參見圖2，以緩沖塊指示信息隊列對緩沖塊狀態(tài)進行管理為例，介紹本發(fā)明實施例數(shù)據(jù)從外圍設備傳輸?shù)接脩舫绦虻倪^程。首先，外圍設備需要獲取至少一個空閑緩沖塊，即從內(nèi)核中自由態(tài)緩沖塊指示信息隊列中獲取至少一個自由態(tài)緩沖塊指示信息，然后根據(jù)指針信息中的緩沖塊物理地址，直接向獲取的空閑緩沖塊寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入緩沖塊后，內(nèi)核控制承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息從外圍設備占用態(tài)緩沖塊的指示信息隊列遷移到內(nèi)核占用態(tài)緩沖塊的指示信息隊列中，并將處于自由態(tài)的相應數(shù)量的空閑緩沖塊指示信息遷移到外圍設備占用態(tài)緩沖塊的指示信息隊列中，供外圍設備使用。
當用戶程序請求讀取數(shù)據(jù)時，先通知內(nèi)核將處于內(nèi)核占用態(tài)的緩沖塊映射到用戶空間，建立緩沖塊的物理地址與用戶態(tài)地址之間的映射。用戶程序開始讀取數(shù)據(jù)時，內(nèi)核控制承載數(shù)據(jù)的緩沖塊指示信息從內(nèi)核占用態(tài)隊列遷移到用戶程序占用態(tài)隊列。用戶程序從緩沖塊指示信息得到物理地址，根據(jù)映射關系查詢緩沖塊指示信息中物理地址對應的用戶態(tài)地址，并用戶程序根據(jù)用戶態(tài)地址從對應的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。當用戶程序完成數(shù)據(jù)讀取后，承載數(shù)據(jù)的緩沖塊恢復為空閑緩沖塊，內(nèi)核將使用完畢的空閑緩沖塊的指針歸還自由態(tài)緩沖塊的指示信息隊列。
數(shù)據(jù)從用戶程序輸出到外圍設備的數(shù)據(jù)傳輸過程與上述過程類似，主要區(qū)別在于緩沖塊狀態(tài)的遷移不同以及地址映射不同。用戶程序從處于自由態(tài)的緩沖塊中獲取空閑緩沖塊，內(nèi)核將用戶程序獲取的空閑緩沖塊的用戶態(tài)地址映射到用戶空間，用戶程序根據(jù)用戶態(tài)地址向獲取的空閑緩沖塊寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入緩沖塊后，緩沖塊從用戶程序占用態(tài)遷移到對應的內(nèi)核占用態(tài)，并將處于自由態(tài)的相應數(shù)量的空閑緩沖塊遷移到用戶程序占用態(tài)。
當外圍設備請求讀取數(shù)據(jù)時，緩沖塊從內(nèi)核占用態(tài)遷移到外圍設備占用態(tài)，外圍設備獲取承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，根據(jù)指示信息中包含的物理地址去相應的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。當外圍設備完成數(shù)據(jù)讀取后，將使用完畢的空閑緩沖塊的指針歸還內(nèi)核，此時緩沖塊的狀態(tài)遷移到自由態(tài)。
在本發(fā)明實施例中，用戶程序或者外圍設備根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量以及緩沖塊的大小確定需要的緩沖塊數(shù)量，可能需要不止一個空閑緩沖塊，如果是多個緩沖塊組成緩沖塊組，則用戶程序或者外圍設備將數(shù)據(jù)分解到每一個緩沖塊上，傳輸時，緩沖塊組中所有緩沖塊的數(shù)據(jù)總和構成完整的用戶數(shù)據(jù)。
以下以具體的例子，描述一下用戶程序讀取外圍設備數(shù)據(jù)的過程。當啟動外圍設備將數(shù)據(jù)寫入到緩沖塊后，在采用直接內(nèi)存訪問方式完成的中斷處理中，首先外圍設備從處于外圍設備占用態(tài)的緩沖塊中獲取空閑緩沖塊的指針，并在指針指示下的緩沖塊中寫入數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)的多個緩沖塊組成一個緩沖塊組，該緩沖塊組中的緩沖塊的狀態(tài)遷移到內(nèi)核占用態(tài)。然后，內(nèi)核將相應數(shù)量的處于自由態(tài)的緩沖塊的狀態(tài)遷移到用戶程序占用態(tài)。當用戶程序請求數(shù)據(jù)時，先通知內(nèi)核將緩沖塊映射到用戶空間。然后，判斷是否有處于內(nèi)核占用態(tài)的緩沖塊，若有，則將處于內(nèi)核占用態(tài)的一個緩沖塊組返回給用戶進程，若沒有，則可以等待，也可以不等待，這取決于用戶進程的需求。當用戶程序完成了對這一組緩沖塊承載的數(shù)據(jù)的讀取后，通知內(nèi)核，內(nèi)核將該組緩沖塊遷移到自由態(tài)。
圖3示出了本發(fā)明實施例中數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)結構，該系統(tǒng)包括第一通信方31、第二通信方32、操作系統(tǒng)內(nèi)核33、主存緩沖區(qū)34和映射模塊35。在實施數(shù)據(jù)傳輸方法前，內(nèi)核33通過映射模塊35將主存緩沖區(qū)劃分為多個緩沖塊，緩沖塊的大小最好相等，一般為主存緩沖區(qū)的最小自然單位。每個緩沖塊都配置有指示該緩沖塊的指示信息，指示信息包含緩沖塊的物理地址。
映射模塊35，用于建立緩沖塊的物理地址和用戶態(tài)地址之間的映射。緩沖塊的物理地址和用戶態(tài)地址之間的映射可以在緩沖塊劃分之后進行，也可以在第一通信方或者第二通信方請求數(shù)據(jù)時進行。
內(nèi)核33，用于管理緩沖塊的指示信息。
第一通信方31，用于向主存緩沖區(qū)34讀寫數(shù)據(jù)，當需向主存緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)時，從主存緩沖區(qū)中獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，將數(shù)據(jù)寫入對應的空閑緩沖塊。
第二通信方32，用于向主存緩沖區(qū)34讀寫數(shù)據(jù)，從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，根據(jù)所述指示信息得到緩沖塊的地址信息，根據(jù)所述地址信息從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后，將空閑緩沖塊歸還內(nèi)核。
其中第一通信方可以為外圍設備，對應地，第二通信方為用戶程序，此時地址信息為用戶態(tài)地址；第一通信方可以為用戶程序，對應地，第二通信方為外圍設備，此時地址信息為物理地址。
在本發(fā)明實施例中，用戶程序或者外圍設備得到的緩沖塊可能不止一個，而是包括多個緩沖塊的一組，一個緩沖塊組中所有緩沖塊中的數(shù)據(jù)總和構成完整的用戶數(shù)據(jù)。
本發(fā)明實施例通過采用用戶空間到物理空間的地址映射，以及將用戶數(shù)據(jù)分解傳送的方式，不需要在內(nèi)核緩沖區(qū)和DMA緩沖區(qū)之間進行數(shù)據(jù)拷貝，實現(xiàn)了用戶程序到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)零拷貝，同時在內(nèi)核與外圍設備的DMA傳輸過程中使用在內(nèi)核中交換緩沖塊指示信息的方式，實現(xiàn)主存到外圍設備的數(shù)據(jù)零拷貝，從而實現(xiàn)了用戶程序到外圍設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧憧截?，有效提高了系統(tǒng)性能，節(jié)省了寶貴的內(nèi)存資源，降低了系統(tǒng)成本。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述方法基于主存緩沖區(qū)和內(nèi)核實現(xiàn)，所述主存緩沖區(qū)包括至少兩個緩沖塊，每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息，所述方法包括下述步驟第一通信方從內(nèi)核獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，并將數(shù)據(jù)寫入對應的空閑緩沖塊；第二通信方從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的的指示信息，并從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。
2.如權利要求
1所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述指示信息為緩沖塊指針或者指代緩沖塊的信息體。
3.如權利要求
1所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述第一通信方和第二通信方中，其中一方為外圍設備，另一方為用戶程序。
4.如權利要求
3所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述指示信息中包含緩沖塊的物理地址，并且，所述方法還包括所述內(nèi)核將緩沖塊的物理地址映射到用戶空間，建立緩沖塊的物理地址與用戶態(tài)地址之間的映射關系。
5.如權利要求
4所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述方法還包括所述外圍設備根據(jù)緩沖塊指示信息中包含的物理地址在對應的緩沖塊上寫入數(shù)據(jù)或從對應的緩沖塊上讀取數(shù)據(jù)；所述用戶程序根據(jù)所述映射關系，查詢緩沖塊指示信息中物理地址對應的用戶態(tài)地址，然后根據(jù)所述用戶態(tài)地址在對應的緩沖塊上寫入數(shù)據(jù)或從對應的緩沖塊上讀取數(shù)據(jù)。
6.如權利要求
4或5所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于所述內(nèi)核在數(shù)據(jù)傳輸之前，將主存緩沖區(qū)包括的所有緩沖塊的物理地址映射到用戶空間并建立所述映射關系；或者所述內(nèi)核在第一通信方將數(shù)據(jù)寫入對應的空閑緩沖塊后，再將所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的物理地址映射到用戶空間并建立所述映射關系。
7.如權利要求
1所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述內(nèi)核分別建立空閑緩沖塊指示信息隊列、內(nèi)核占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列、第一通信方占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列和第二通信方占用態(tài)緩沖塊指示信息隊列，并根據(jù)各指示信息隊列對緩沖塊進行管理。
8.如權利要求
1所述的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述內(nèi)核在每一個緩沖塊的主存緩沖區(qū)首部的狀態(tài)記錄表中記錄緩沖塊的狀態(tài)，并根據(jù)記錄信息對緩沖塊進行管理。
9.一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括第一通信方、第二通信方、內(nèi)核和主存緩沖區(qū)；主存緩沖區(qū)包括至少兩個緩沖塊，每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息；內(nèi)核，用于管理緩沖塊的指示信息；第一通信方，從主存緩沖區(qū)獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，并將數(shù)據(jù)塊寫入對應的空閑緩沖塊；第二通信方，從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，并從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。
10.如權利要求
9所述的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，，所述第一通信方和第二通信方中，其中一方為外圍設備，另一方為用戶程序。
11.如權利要求
10所述的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括映射模塊，用于將緩沖塊的物理地址映射到用戶空間，建立緩沖塊物理地址與用戶態(tài)地址之間的映射。
專利摘要
本發(fā)明適用于計算機通信領域，提供了一種數(shù)據(jù)傳輸方法，所述方法基于主存緩沖區(qū)和內(nèi)核實現(xiàn)，所述主存緩沖區(qū)包括至少兩個緩沖塊，每個緩沖塊配置有指示該緩沖塊的指示信息，所述方法包括第一通信方從內(nèi)核獲取至少一個空閑緩沖塊的指示信息，并將數(shù)據(jù)寫入對應的空閑緩沖塊；第二通信方從內(nèi)核獲取所述承載數(shù)據(jù)的緩沖塊的指示信息，并從對應的承載數(shù)據(jù)的緩沖塊讀取數(shù)據(jù)。相應的，本發(fā)明還提供一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本發(fā)明在兩個通信方之間進行通信時，實現(xiàn)雙方通信中的數(shù)據(jù)零拷貝，有效提高了系統(tǒng)性能，節(jié)省了寶貴的內(nèi)存資源，降低了系統(tǒng)成本。
文檔編號G06F12/08GK1996271SQ200610064660
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月30日
發(fā)明者陳康林, 南元 申請人:華為技術有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan