接口透明傳輸中數據緩存的建模設計

韓東

（華北計算機系統工程研究所 北京 100083）

在工業應用中，同一系統中常會連接許多不同類型的設備，但因設備的接口不同，嵌入式系統中會涉及到不同接口間的數據透傳，比如串口485/232的數據透明傳輸到以太網接口等。這樣的系統中需要建立接口間的數據緩存FIFO，來實現接口的數據接收和發送。

為了通用性，不具體指定接口，而是概念化為實現接口A、B、C、D、W、X、Y、Z間的數據透傳處理的數據緩存 FIFO模型。

1 名詞定義

在緩存建模前先定義幾個名詞的概念。

1.1 接口映射

考慮透傳時接口的分配，即一個接口接收到的數據需要從哪個接口發送出去。為每個接口設定一個發送到接口屬性，接口PORT(T)（T指任一接口）的發送到屬性值記為DATA_TO(T)。當有 DATA_TO(T)=PORT(V)時，意味著 PORT(T)接收到的數據將由PORT(V)發送，這稱為DATA_TO接口映射，簡稱接口映射。

圖1 接口映射Fig.1 Interface mapping

若對于任意 T和任意 V，當 PORT(T)≠PORT(V)時，有DATA_TO(T)≠DATA_TO(V)，則稱該接口映射為接口單射[3]。

若對于任意 T和任意 V，當 PORT(T)≠PORT(V)時，可DATA_TO(T)≠DATA_TO(V)有，則稱該接口映射為接口多射。

若兩個接口 T和 V，當 PORT(T)≠PORT(V)時，有DATA_TO(T)=PORT(V)同時 DATA_TO(V)=PORT(T)，則稱該接口映射為接口T和V對射，稱PORT(T)和PORT(V)為一組對射對。

若所有2N個接口既滿足單射又滿足兩兩對射[1]，則稱2N個接口映射為接口一一映射。

1.2 數據收發有序

如有一個數據序列Q，按序列順序分為n個序列組Q(n)（n=0,1,...N），當將 Q(n)按 n 的字典順序（Q(0),Q(1),...Q(N)）排列成序列Q’時，滿足Q′=Q，稱Q(n)為Q的有序序列組。

如果一個數據序列Q在從一個接口PORT(T)接收并按序列組Q(n)寫入緩存后，緩存中的存放的序列組Q(n)為Q的有序序列組，則稱數據有序接收。

如果緩存中的Q序列組被一個接口PORT(V)發送時，發送出的數據序列組Q(n)為Q的有序序列組，則稱數據有序發送。

如果一個數據序列Q在從接口PORT(T)接收后在接口PORT(V)發送出，發送出的數據序列組Q(n)與為Q的有序序列組，則稱數據有序收發，簡稱有序。

1.3 分塊緩存

如果每次寫入或讀出操作的緩存對象是直接數據，則稱之為無分塊緩存；而如果操作對象是一個緩存區的地址，則稱之為分塊緩存，且該地址指明的是一個緩存塊的首地址[2]。

如果一個緩存塊，在其使用過程中涉及建立一個新的緩存塊。若緩存允許此操作，則稱之為可嵌套分塊緩存；若緩存不允許此操作，則稱之為無嵌套分塊緩存。

如果一個分塊緩存，每個緩存塊的大小固定相等，則稱之定長分塊緩存；而若每個緩存塊的大小可變，則稱之可變長分塊緩存。

1.4 私用緩存

如果一個緩存區只有一個特定接口PORT(T)可以訪問和得到使用權，則稱之為PORT(T)的私有緩存區，否則如果所有端口都能訪問及得到使用權，則稱之為公用緩存。

2 接口單射有序私有無分塊緩存的設計

首先構建最精簡的FIFO緩存模型，接口單射私有無分塊緩存，它僅須實現單字節數據序列的寫入和讀出操作，無其它特殊要求。

為每個接口PORT(T)建立一個私有的數據FIFO緩存區BUF(T)，緩存區大小為SIZE_BUF(T)，以輔助 T接口數據的接收和發送操作[4]。

緩存模型建立如下：

1)選定一個連續的RAM地址空間，在此空間上開辟一段大小為SIZE_BUF(T)的連續空間，將此塊空間初始化為環形FIFO區作為T接口的緩存區，記作BUF(T)。

2)設置輔助指針T_PUT_POINTER和T_GET_POINTER，及變量 T_BUF_LENGTH。 其中，T_PUT_POINTER指向BUF(T)中下一個可寫入數據的地址；T_GET_POINTER指向BUF(T)中下一個可讀出的數據的地址；T_BUF_LENGTH為BUF(T)中有效字節數據的數量[6]。

①寫入操作

字節數據寫入BUF(T)緩存時執行寫入操作，首先判斷緩存區是否已經寫滿。緩存區已經寫滿的標志是T_BUF_LENGTH大小為 SIZE_BUF(T)，此時 T_PUT_POINTER與T_GET_POINTER指相同一空間。如緩存已滿，則該數據被丟棄。否則，將其寫入T_PUT_POINTER指向的空間。同時，T_PUT_POINTER增加一個字節空間，如果增加后超過了BUT(T)的底地址，則T_PUT_POINTER指向其首地址。最后更新T_BUF_LENGTH增加一字節長度[5]。

②讀出操作

讀出BUF(T)緩存中數據時執行讀出操作，首先判斷緩存區是否已空。緩存區空的標志是T_BUF_LENGTH大小為0，此時T_PUT_POINTER與T_GET_POINTER指相同一空間。如果緩存已空，則讀出無效標志。否則讀出T_GET_POINTER指向的空間。同時T_GET_POINTER增加一個字節空間，如果增加后超過了BUF(T)的底地址，則T_GET_POINTER指向其首地址。最后更新T_BUF_LENGTH減少一字節長度[7]。

圖2 單字節FIFOFig.2 Single byte FIFO

3)建立好以上緩存區后，為T接口增添數據接收和發送操作函數，其中接收操作映射為緩存區BUF(T)的寫入操作，發送操作映射為T的對應接口X的緩存區BUF(X)的讀出操作。

3 接口單射有序私有定長無嵌套分塊緩存

考慮接口接收到的字節序列為幀格式報文塊，實現其收發有序。

假設一個數據塊的接收或發送過程中，沒有其它接口數據插入，仍為接口單射私有緩存。這樣，在上個模型的基礎上建立可分塊的緩存組，稱作緩存塊。

假設各報文塊的大小不會超過緩存塊的數據容量，且接收報文到一個數據塊或發送一個數據塊的報文到接口的過程中，沒有其它數據塊的借出，即緩存塊無嵌套。

如此，只需在上節模型基礎上將單字節FIFO緩存，替換成緩存塊地址的FIFO緩存，實現緩存塊的地址取出和存入處理即可。以下將緩存塊的取出稱為緩存塊借出，將緩存塊的存入稱為緩存塊歸還。

模型改進如下：

1)將上節緩存中接口PORT(T)的緩存BUF(T)分為N個固定字節長度為BUF_DIV_SIZE(T)的緩存塊BUF_DIV(T)。

2)為每個分塊添加固定字節長度為HEAD_SIZE(T)的信息頭。其中，信息頭位于BUF_DIV(T)的起始位的BUF_DIV_HEAD_SIZE(T)個字節的地址空間。信息頭依次固定包含分塊狀態、分塊數據長度及下一個分塊起始地址。分塊數據長度最大為BUF_DIV_SIZE(T)-BUF_DIV_HEAD_SIZE(T)，標記為 BUF_DIV_BODY_SIZE(T)。

3)建立兩個如上節模型所述的FIFO，將其操作對角由單字節替換成對32位的4字節，輔助緩存塊的寫入借出、寫入歸還和讀出借出、讀出歸還操作。設置其中一個FIFO存放還未寫入數據的緩存塊地址，稱為T_FREE_TABLE，另一個存放已經寫入數據的緩存塊地址，稱為T_USED_TABLE。

4)為T_FREE_TABLE添加輔助指針T_FREE_TABLE_P UT_POINTER和T_FREE_TABLE_GET_POINTER，及變T_FR EE_TABLE_LENGTH。T_FREE_TABLE_PUT_POINTER指向下一個可存入要歸還的分塊地址的FIFO地T_FREE_TABLE_GET_POINTER指向下一個存儲著可借出的FREE分塊地址的FIFO地址。T_FREE_TABLE_LENGTH指示FIFO中存儲的可用FREE空分塊地址數據的數量。其借出和歸還操作，類同于上節所述的讀出和寫入操作，不同的是操作的對象現在是FREE分塊地址數據，而上節中是單字節數據?，F在指針增加或減小1，是指一個緩存塊大小。對于整個分塊模型來說，T_FREE_TABLE中的借出是指報文的寫入前借出，即借出的FREE分塊地址用來寫入接收來的報文數據分組，以下簡稱寫入借出；T_FREE_TABLE中的歸還是指報文的讀出后歸還，即歸還的分塊地址是已經完成了其中報文數據分組的讀空操作的FREE分塊地址，以下簡稱讀出歸還。

5)為T_USED_TABLE添加輔助指針T_USED_TABLE_PUT_POINTER和T_USED_TABLE_GET_POINTER，及變量T_USED_TABLE_LENGTH。T_USED_TABLE_PUT_POINTER指向下一個可存入要歸還的USED分塊地址數據的FIFO地址T_USED_TABLE_GET_POINTER指向下一個存儲著可借出的USED分塊地址數據的FIFO地址。T_USED_TABLE_L ENGTH指示FIFO中存儲的可用USED分塊地址數據的數量。對于整個模型來說，T_USED_TABLE中的借出是指報文的讀空前借出，即借出的USED分塊地址用來讀出發送其中的報文數據分組，以下簡稱讀出借出；T_USED_TABLE中的歸還是指報文的寫入后歸還，即歸還的分塊地址是已經完成了其中報文數據分組的寫入操作的USED分塊地址，以下簡稱寫入歸還。

6)假設完成接口對射組PORT(T)與PORT(X)之間的數據透傳。設定接口PORT(T)的接收操作映射到T的緩存區BUF(T)，PORT(T)的發送操作映射到接口X的緩存區BUF(X)；當接口PORT(T)有數據需要接收時，首先執行寫入借出操作，T_FRE E_TABLE中借出一個可供數據寫入的FREE緩存塊地址，使用該分塊地址再執行PORT(T)接收數據的寫入操作；寫入完成后，執行寫入歸還操作，將已寫入數據的FREE緩存塊標志成USED緩存塊，并將其地址歸還到在T_USED_TABLE中。而需要X接口發送數據時，首先要執行讀出借出操作，在T_USED_TABLE中借出一個已經寫入了數據的USED緩存塊的地址，使用該分塊地址去執行PORT(X)的數據讀出發送操作，讀出完成后，執行讀出歸還操作，將已經讀空了的USED緩存塊標志成FREE緩存塊，并將其地址歸還到T_FREE_TABLE中。

圖3 無嵌套傳輸過程Fig.3 No nested transmitting procedure

4 接口單射有序私用定長可嵌套分塊緩存

現在在上節的基礎上設計接口單射有序定長可嵌套分塊緩存?？汕短椎囊馑际窃趯懭虢璩鲆粋€FREE分塊后,記作FREE_BUF_0，寫入數據過程仍在進行中且還未標志成USED分塊，尚未執行寫入歸還操作前，又需要一個新的寫入借出FREE分塊，記作FREE_BUF_1。同時后借出的分塊FREE_BUF_1會先于FREE_BUF_0執行寫入歸還操作。歸還后FREE_BUF_0標記為USED_BUF_0，而FREE_BUF_1標記為 USED_BUF_1。

這樣在相應USED_TABLE表中USED_BUF_1排列在USED_BUF_0前，即執行讀出借出時會先借出分塊USED_BUF_1，但是要求 USED_BUF_0會先于USED_BUF_1讀出借出。在寫入數據時因為數據量超過一個分塊最大數據長度而會在出現嵌套分塊情況。

模型改進如下：

1)在上節模型中為接口PORT(T)的緩存塊BUF_DIV(T)的信息頭添加上一個新的 32位信息標志USED_LINK_NEXT_DIVBUF，用來存放嵌套時的下一個借出分塊地址。

2)嵌套接收操作過程為：接收開始，執行寫入借出操作借出第一個FREE_BUF_0，根據需求執行寫入借出操作借出第 二 個 FREE_BUF_1并 將 FREE_BUF_0的USED_LINK_NEXT_DIVBUF置為 FREE_BUF_1的地址，如需要第三個 FREE_BUF_2則將 FREE_BUF_1的USED_LINK_NEXT_DIVBUF置為 FREE_BUF_2的地址，以此類推直到最后一個的FREE_BUF_LAST，此時將FREE_BUF_LAST的 USED_LINK_NEXT_DIVBUF置為NULL。當寫入數據完成后需要執行寫入歸還操作時，除了FREE_BUF_0須要執行寫入歸還之外，嵌套中其它FREE_BUF則不執行寫入歸還操作。

3)無嵌套接收過程為：接收開始，執行寫入借出操作借出個FREE_BUF_0，根據需求不用嵌套分塊，這時將FREE_BUF_0的USED_LINK_NEXT_DIVBUF置為NULL。當寫入數據完成后執行寫入歸還操作。

4)發送分塊操作過程為：

①發送開始，執行讀出借出操作借出第一個USE_BUF_0；

②然后讀空其中的數據，并在讀出歸還操作前讀出USE_BUF_0中的USED_LINK_NEXT_DIVBUF值；

③最后執行在讀出歸還操作。如果USED_LINK_NEXT_DIVBUF值不為空，則利用該值作為下一個USE_BUF，轉回到②。如果為空，則結束。

圖4 嵌套緩存塊Fig.4 Nested cache block

5 接口單射有序公用定長可嵌套分塊緩存

為了節省及更有效率的利用緩存塊，可將所有接口的各自私有緩存塊公用化。

模型改進如下：

1)取消各自的私用緩存區和FREE_TALBE表，建立公用緩存區和公用FREE_TABLE表[9]，指示公用緩存中的空緩存塊信息。保留各接口的USED_TABLE表。

2)將各接口的寫入借出和讀出歸還操作合并為對公用FREE_TABLE的寫入和讀出操作。而寫入歸還和讀出歸還操作保留。

3)PORT(T)接收操作變為：執行寫入借出操作從公用FREE_TABLE中借出公用FREE__BUF，寫入數據后，執行寫入歸還操作將其放入PORT(T)的私有T_USED_TABLE中。

4)PORT(T)的對射方發送操作變為：執行讀出借出操作從公用T_USED_TABLE中借出私有USED__BUF，讀空數據后，執行讀出歸還操作將其放入公用FREE_TABLE中。

6 結束語

多接口間的數據透傳如果采用單字節的一收一發，效率不如分塊收發。尤其是當所用的接口芯片中自帶有硬件緩存時，更是如此，因此分塊緩存很有必要。但是在緩存分了塊后，還存在著分塊容量大小的限制，如果要存下的數據大于一個分塊或更多，則可嵌套的分塊可以保證接收數據序列間的連續性，特別是在接口多射或是接口還有其它任務時。

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