Vxworks下的高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題
1. Vxworks下的高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題
美國(guó)風(fēng)河(WindRiver)公司的VxWorks是目前最先進(jìn)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。Tornade是它的集成一體開(kāi)發(fā)環(huán)境。然而，vxWorks下編程硬件驅(qū)動(dòng)程序時(shí)卻存在著高速緩沖存儲(chǔ)器一致性(Cache Coherence)的問(wèn)題。該系統(tǒng)下有兩個(gè)cache區(qū)：數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器和指令高速緩沖存儲(chǔ)器 本文討論的高速緩沖存儲(chǔ)器問(wèn)題均指數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器。
高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題是指高速緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)必須與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)保持同步(一致) 這個(gè)問(wèn)題常發(fā)生在CPU內(nèi)核與另一個(gè)設(shè)備異步訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)。
高速緩沖存儲(chǔ)器可以工作在Write-through或copyback模式。在Write-through模式下，數(shù)據(jù)輸出時(shí).系統(tǒng)會(huì)把數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入高速緩沖存儲(chǔ)器和內(nèi)存中.這樣.就保證了輸出時(shí)的高速緩沖存儲(chǔ)器一致性。但該模式卻無(wú)法解決輸入時(shí)的高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題.在Copyback模式下。系統(tǒng)只寫(xiě)數(shù)據(jù)到高速緩沖存儲(chǔ)器中，因此對(duì)于數(shù)據(jù)輸入和輸出都存在高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題。
VxWorks下通常有兩種方法解決高速緩沖存儲(chǔ)器一致性問(wèn)題.
(1)Cache-safe buffer(即non-cacheable 的buffer)。這種情況下，CPU讀數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)從內(nèi)存中讀取.而不是從高速緩沖存儲(chǔ)器中讀?。憾鳦PU寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)則同時(shí)寫(xiě)入高速緩沖存儲(chǔ)器和內(nèi)存.
該方案可通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn).
* 在內(nèi)存段屬性中定義此段buffer，空間屬性為non-cacheable;
* 在內(nèi)存管理單元MMU支持下，用cacheDmaMalloc()/cacheDmaFree()獲得此段buffer。則此段buffer是non-cacheable的(注意無(wú)MMU時(shí)。分配的buffer是cacheable.此法不支持這種情況)。
(2)對(duì)于cacheable的buffer空間，采用flush()/invalidate()函數(shù)或宏來(lái)配合讀/寫(xiě)使用此段buffer空間.flush()將高速緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存。invalidate()則將內(nèi)存中數(shù)據(jù)寫(xiě)入高速緩沖存儲(chǔ)器。這兩個(gè)函數(shù)都保證了高速緩沖存儲(chǔ)器與內(nèi)存同步。
實(shí)際flush()/invalidate()函數(shù)有如下兩組，功能相同稍有區(qū)別：
組1：CACHE_DMA_FLUSH()函數(shù)和CACHE_DMA_INVALIDATE()函數(shù)
組2：cacheFlush()函數(shù)和cacheInvalidate()函數(shù)
第一組實(shí)際是2個(gè)宏，與cacheDmaMalloc()函數(shù)配合使用。
2. MPC860上高速緩沖存儲(chǔ)器一致性的軟件設(shè)計(jì)方法
MPC860是摩托羅拉公司的32位多用途集成通信控制器.主要包括一個(gè)32位的嵌入式PowerPC core。一個(gè)通信處理模塊CPM，一個(gè)系統(tǒng)集成模塊SIM60及一個(gè)獨(dú)立的快速以太網(wǎng)FEC模塊.在VxWorks下編寫(xiě)MPC860的驅(qū)動(dòng)程序。要保護(hù)的是CPM、FEC模塊的發(fā)送/接收緩沖區(qū)描述符TXBD/RXBD及其對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)對(duì)于MPC860開(kāi)發(fā)中象BD(Buffer DescriptiOn)這樣的靜態(tài)空間適合采用cache-safe boffer方法。即采用第1種方法;
而對(duì)BD域中對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū).由于該緩沖區(qū)多是動(dòng)態(tài)分配和釋放，更適合采用第2種方法，即采用flush()/invalidate()函數(shù)或宏來(lái)配合讀/寫(xiě)使用此段緩沖區(qū)空間.這樣可以避免將整個(gè)的包括還未分配的空間都預(yù)先標(biāo)記為non-cacheable而造成效率低下。具體可以采用下面的方法：
(1)TXBD/RXBD放在MPC860雙口RAM中。并在板級(jí)支持包BSP文件Syslib.c中的頁(yè)描述符數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) svsPhysMemDesc[]中定義860上所有64K內(nèi)存空間為non-cachable的緩沖區(qū)。從而不必做cache coherence的保護(hù)了.
(2)對(duì)應(yīng)TXBD/RXBD中數(shù)據(jù)指針域的發(fā)/收緩沖區(qū)均用cache DmaMalloc()獲得(具體是指初始化時(shí)給所有接收RXBD掛接的初始緩沖區(qū)和接收幀函數(shù)中給RXBD掛接的新緩沖區(qū).以及在應(yīng)用層中使用的發(fā)送 TXBD對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū))。而用cacheDmaFree()釋放.同時(shí)發(fā)送幀函數(shù)中用cacheFlush()函數(shù)保護(hù)待發(fā)送TXBD對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)：接收幀函數(shù)中用cache Invalidate()函數(shù)保護(hù)已經(jīng)裝載了接收數(shù)據(jù)的接收緩沖區(qū)。以快速以太網(wǎng)FEC的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔Ｗo(hù)具體實(shí)現(xiàn)如下：
/* FEC發(fā)送幀函數(shù) */
FEC_SEND_FRAME()
{
/* 填寫(xiě)發(fā)送buffer內(nèi)容，實(shí)際填寫(xiě)在data cache中 */
sptr_tx_buffer[i]=data;
fec.txBd.dataPointer=(char*)sptr_tx_buffer;
/*將填寫(xiě)在data cache中的內(nèi)容寫(xiě)回內(nèi)存中的實(shí)際發(fā)送buffer(即以sptr_tx_buffer為地址的內(nèi)存)中*/
cacheFlush(DATA_CACHE,sptr_tx_buffer,1518);
/*啟動(dòng)發(fā)送命令，F(xiàn)EC控制器發(fā)送內(nèi)存中buffer內(nèi)容而非data cache中內(nèi)容*/
*(UINT32*)VXImmrGet()+MOT_FEC_TX_ACT_OFF))=MOT_FEC_TX_ACT;
}
/*FEC接收幀函數(shù)*/
FEC_RECEIVE_FRAME()
{
/*取得實(shí)際接收buffer的地址*/
pBuffer=(void*)fec.rxBd.dataPointer;
/*將RXBD對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中接收buffer中內(nèi)容寫(xiě)回data cache中*/
cacheInvalidate(DATA_CACHE，pBuffer，1520);
*vptr_buffer=pBuffer;
/*以后CPU可以安全使用接收buffer中的內(nèi)容**vptr_buffer了*/
}
if ((pBuffer = (void *)malloc (allocBytes)) == NULL)
return (NULL);
/* Flush any data that may be still sitting in the cache */
cacheClear (DATA_CACHE, pBuffer, allocBytes);
cacheInvalidate (INSTRUCTION_CACHE, pBuffer, allocBytes);
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