基于P2040处理器的以太网驱动程序的设计与实现.pdf
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1、 2023 年第 7 期55计算机应用信息技术与信息化基于 P2040 处理器的以太网驱动程序的设计与实现张 前1 张钰尧1 杨静远1ZHANG Qian ZHANG Yuyao YANG Jingyuan 摘要 P2040 处理器作为一款高性能四核处理器,已在各领域中得到了广泛应用。其通过采用高性能数据通道加速架构(data path acceleration architecture,DPAA),丰富了网卡的功能,提高了网络数据的处理效率,但相应的以太网驱动程序也变得更为复杂。为了实现 P2040 处理器的以太网通信功能,针对 DPAA 中与网络通信相关的缓冲区管理器(buffer man
2、ager,BMan)、队列管理器(queue manager,QMan)和帧管理器(frame manager,FMan)三个模块进行了分析,基于分析对 P2040 处理器的以太网驱动程序进行了设计和实现,并在 P2040 处理器平台上完成了以太网通信测试。测试结果表明以太网驱动程序运行稳定,可实现以太网通信功能。关键词 P2040 处理器;DPAA;以太网驱动程序 doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0141.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西西安 7100650 引言当前以太网通信已成为嵌入式系统中常见的通信方式,网络的可靠性和稳定性也愈
3、发得到重视。随着处理器的功能不断丰富,性能不断提升,其对网卡的功能和性能要求也相应提高。P2040 作为一款高性能四核处理器,利用 DPAA 将网络数据按队列进行处理,大大提高了网络数据的处理效率。本文通过对 DPAA 进行分析,设计实现了 P2040 处理器的以太网驱动程序,并在 P2040 处理器平台上完成了以太网通信测试。1 DPAA 介绍P2040 处 理 器 的 DPAA 如 图 1 所 示。其 主 要 通 过BMan、QMan 和 FMan 三个模块完成网络数据的传输管理,提高数据的处理效率。1.1 BManBMan 的主要功能是对以太网通信过程中使用的内存缓冲提供集中式资源管理,
4、利用硬件管理内存缓冲的方式降低软件的设计难度1。以太网通信过程中的内存缓冲空间由软件分配,BMan 将其当做缓冲池进行管理,每个缓冲池中可以包含多个大小相同且互不重叠的缓冲。DPAA 中的其他模块可以通过 BMan 从指定的内存缓冲池中申请缓冲,当BMan 为这些模块分配缓冲后,会将这些缓冲从内存缓冲池中移出。当这些模块使用完缓冲后,可以通过BMan释放缓冲,将缓冲放回到内存缓冲池中。为了提高管理效率,BMan 利用空闲缓冲指针记录(free buffer pointer records,FBPRs)将空闲的缓冲空间以链表的方式进行管理。因此软件需要分配空间用于保存 FBPRs,同时由于 BM
5、an 不直接对实际的缓冲空间进行读写,所以 FBPRs空间也是 BMan 唯一可访问的外部存储空间。P2040 的 BMan 模块可管理 64 个内存缓冲池,并配置了10 个软件入口,软件可通过这些软件入口访问 BMan。1.2 QManQMan 的主要功能是对以太网通信过程中传输的网络数据提供队列管理功能。其在通信过程中使用到的数据和数据结构如下2:(1)帧;(2)帧描述符。用于记录帧的详细信息;(3)帧队列。一个帧队列由多个帧组成。QMan 利用单帧描述符记录(singular frame descriptor record,SFDR)和多帧描述符记录(packed frame descr
6、iptor record,PFDR)管理帧队列;(4)图 1 P2040 处理器的 DPAA 示意图2023 年第 7 期56计算机应用信息技术与信息化帧队列描述符。用于记录帧队列的详细信息;(5)工作队列。一个工作队列由多个帧队列组成;(6)通道。一个通道由八个工作队列组成,同一通道内的八个工作队列按优先级可分为高、中和低三类3。此外,通道可分为专用通道和池通道两种类型。专用通道是指分配给一个终端使用的通道,如CPU、FMan 和 PME 等。而池通道是指分配给一组终端使用的通道,这组终端中的任意一个终端均可使用此通道。在通信过程中,QMan 将帧的传输分为入队和出队两种方式。入队是指将帧放
7、入到帧队列中。软件可通过 QMan 提供的 EQCR 寄存器组发送入队命令。QMan 解析入队命令后可确定此帧对应的通道、工作队列和帧队列,并将帧添加到对应帧队列的尾部。出队是指将帧从帧队列中移出。软件可通过 QMan 提供的 DQRR 寄存器组查询当前是否有待出队的帧。若发现存在待出队的帧,软件可通过解析对应的帧描述符获取帧信息,并根据帧信息判断是否接收此帧。若接收,则软件可在解析得到的缓冲空间中读取帧,并将其拷贝到指定的地址空间内。QMan 支持以下两种模式获取待出队帧:(1)推模式。这种模式下,软件可通过 SDQCR 或 VDQCR 寄存器发送出队命令,QMan 将持续对帧进行出队操作直
8、至不存在有效的待出队帧。(2)拉模式。这种模式下,软件可通过 PDQCR寄存器发送出队命令,每发送一次出队命令,QMan 仅执行一次出队操作。此外,QMan 还支持以下三种方式限定待出队帧的范围:(1)指定通道。软件可以指定通道,QMan 将从指定的通道中获取待出队帧。(2)指定通道和此通道中的工作队列号。软件可以同时指定通道和此通道中的工作队列号,QMan 将从指定的工作队列中获取待出队帧。(3)指定帧队列号。软件可以指定帧队列号,QMan 将从指定的帧队列中获取待出队帧。P2040 的 QMan 模块配置了 10 个软件入口,软件可通过这些软件入口访问 QMan。1.3 FManFMan
9、主要功能是对网络数据进行解析、分类和派发等处理4,具体包括以下模块:(1)DMA。用于在 FMan 内部空间和外部空间之间传输数据。(2)FMan 内部空间。此空间由其他的 FMan 子模块共享,P2040 中此空间大小为 160 KB。(3)QMI。用 于 连 接 FMan 和 QMan。(4)BMI。用于连接 FMan 和 BMan。(5)MAC。主要功能是完成媒体访问控制。(6)FPM。主要功能是负责各个 FMan 子模块的任务调度。(7)Parser。主要功能是完成协议解析。(8)KeyGen。主要功能是分发数据包。(9)FMan Controller。主要功能是完成粗分类。(10)P
10、olicer。主要功能是完成流量整形。FMan 采用了用户可配置的流水线架构,用户可以通过配置 FMan 中各子模块使用的下一步调用动作(next invoked action,NIA)调整数据的处理流程,并可选择跳过部分子模块对数据的处理。FMan 支持三种类型的硬件端口,分别为接收端口、发送端口和 O/H 端口,各端口均有相应的端口号。P2040 处理器有五个 MAC 模块,每个 MAC 模块分别使用不同的接收端口和发送端口,具体如表 1 所示。表 1 接收端口和发送端口号MAC 模块接收端口号发送端口号MAC10 x080 x28MAC20 x090 x29MAC30 x0A0 x2AM
11、AC40 x0B0 x2BMAC50 x0C0 x2C2 以太网驱动程序的设计和测试针对 P2040 处理器平台的组成结构和网络连接方式,本文对 P2040 处理器平台进行了 SerDes 配置以及 BMan 和QMan 的寄存器地址配置。SerDes 配置保证了以太网在硬件层面的连通,BMan 和 QMan 的寄存器地址配置保证了软件可正常访问 BMan 和 QMan 的寄存器。在此基础上,将以太网驱动程序分为初始化、数据接收和数据发送三部分进行设计和实现,并完成了以太网通信测试。2.1 P2040 处理器平台介绍为了提高网络连接的灵活性,本文使用的 P2040 处理器平台配置了多个网口供外
12、部设备连接。根据实际使用需求,本文选择将计算机与其中的一个网口相连,具体连接方式如图 2 所示。从图 2 可看出,P2040 处理器平台主要通过 P2040 处理器、PHY、网络变压器和网口实现以太网通信功能,其中PHY 采用了 Marvell 公司的 88E1111 芯片。在实际连接上,图 2 P2040 处理器平台网络连接示意图 2023 年第 7 期57计算机应用信息技术与信息化P2040 处理器使用了 FMan 的 MAC2 模块,并通过 SGMII 接口与 88E1111 芯片的一端相连。同时 88E1111 芯片的另一端与网络变压器相连,然后网络变压器与网口相连,这样计算机即可通过
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