VxWorks系统下提高SATA硬盘传输速度的方法.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期83文章编号：2095-6835（2023）18-0083-03VxWorks 系统下提高 SATA 硬盘传输速度的方法赵昶宇（天津津航计算技术研究所，天津 300308）摘要：VxWorks 嵌入式系统中处理器的存储接口为 IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器）接口，在挂接SATA（Serial Advanced TechnologyAttachment，串行高级技术附件接口）硬盘时数据传输速度远低于正常 SATA 协议的传输能力。为了解决该问题，提出了一种在 VxWorks 系统下提高 SATA 硬盘传输速度的方法，能够在 IDE 驱动模式下，充分发挥 SATA 协议的传输能力。关键词：VxWorks 系统；SATA 控制器；DMA 传输；块设备中图分类号：TP273；TP368.1文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.024在 VxWorks 嵌入式操作系统中，随着嵌入式设备功能的日益强大，需要记录的数据量也随之日益增多。因此，对相应存储设备的存储容量和读写速度提出了越来越高的要求。传统的数据存储接口由于存在数据传输速度慢，甚至数据传输不稳定等缺陷，已经不满足当下嵌入式系统的存储需求。串行高级技术附件接口（SATA）作为新一代存储数据接口，具有传输速度快、可靠性高、支持热插拔等特点，被广泛应用于各种存储系统中。串行 ATA 高级 主 机 控 制 器 接 口（Serial ATA Advanced HostController Interface，AHCI）专为 SATA 协议开发，充分发挥 SATA 协议的传输能力，并极大方便了驱动软件的移植。但是，不是所有主板上处理器的存储接口都支持AHCI。对于那些仅支持 IDE 接口的处理器，在 BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）兼容模式下使用 SATA 硬盘，其传输速度的峰值为30 MB/s，远低于 SATA 1.0 的理论最高传输速率（150 MB/s）。为了提高 IDE 驱动模式下 SATA 硬盘的传输速度，充分发挥 SATA 协议的传输能力，本文提出了一种在 VxWorks 系统下提高 SATA 硬盘传输速度的方法。该方法能够在 IDE 驱动模式下，提高 SATA硬盘的传输速度，充分发挥 SATA 协议的传输能力。1SATA 驱动和 dos 文件系统的交互流程VxWorks 的文件系统并不是直接与块设备驱动交互，VxWorks6.8 以后在块设备驱动之上封装了 XBD（Extend Block Device）层，应用软件的读写请求通过文件系统提供的标准文件存取控制接口访问 XBD 层，并由 XBD 层对块设备发起读写请求，块设备根据接收到的读写命令调用自身的读写驱动函数来操作硬件1。VxWorks 下 SATA 驱动的框架结构如图 1 所示。图 1VxWorks 下 SATA 驱动的框架结构SATA 驱动和 dos 文件系统的交互流程如下。步骤一：VxWorks 系统上电后，完成必要的初始化后，运行 usrRoot 函数开始执行第一个内核任务。步骤二：usrRoot 函数中调用 usrDosfsInit 函数对dosFs 文件进行系统初始化，usrDosfsInit 函数调用完dosFsInit函 数 之 后 会 调 用fsmProbeInstall（dosFsDiskProbe，dosFsMonitorDevCreate）和底层驱动建立链接。步骤三：usrRoot函数然后调用xbdInit函数对XBD层 进 行 初 始 化，XBD 初 始 化 完 后 紧 接 着 会 有fsMonitorInit 函数，并且注册了关于 XBD 的事件处理函数2。步骤四：usrRoot 函数调用 usrAtaInit 函数完成对SATA 设备的初始化，然后调用 usrAtaConfig 函数，主要完成 2 件事情，第一件为调用 fsmNameInstall 函数，向文件系统添加 SATA 设备名，添加到 fsmNameList列表中；第二件为调用 ataXbdDevCreate 函数，将 SATA底层驱动接口函数注册到 XBD 层。科技与创新Science and Technology&Innovation842023 年 第 18 期在 usrAtaConfig 函数中调用 ataDevCreate 函数完成 BLK_DEV 结构初始化以及所有其他准备工作。当ataXbdDevCreate 函数返回后，底层块设备驱动以及块设备本身等待上层设备操作请求。BLK_DEV 结构是文件系统层与底层块设备驱动层之间信息交互的唯一“媒介”，BLK_DEV 结构包含的信息有：块设备数据写入函数；块设备数据读取函数；块设备控制函数；块设备本身关键参数信息，如总扇区数（或总块数）、磁道数、磁头数、每磁道扇区数，对于非硬盘块设备，还需提供每个块的字节数；执行完 ataDevCreate 函数之后，底层的SATA 块设备驱动就已经准备好，再回看步骤中的dosFsMonitorDevCreate 函数，dosFS 在初始化之后，先 调 用 dosFsMonitorDevCreate 函 数，再 调 用dosFsDevCreate 函数。dosFsDevCreate 函数的功能如下：完成 dosFs 文件系统与底层块设备驱动之间的衔接工作，具体是通过传递一个由底层驱动初始化的BLK_DEV结构给dosFs中间层完成的，BLK_DEV 结构包含底层块设备驱动的关键信息；完成块设备节点的创建和向系统设备列表注册的工作，这个工作完成后，底层块设备就对用户可见了，用户可以使用标准接口函数对块设备进行操作；对 dosFs 文件系统本身的一些参数进行初始化，如最大文件句柄数，文件系统一致性检查级别。步骤五：dosFsDevCreate 函数调用完成后，应用层程序就可以对底层块设备进行操作了。基于 dosFs的块设备将以文件和目录层次性的视图提供给用户层，所以用户只是对块设备中一个区域进行操作，从上层来看，就是对某个文件或者目录的操作。此时用户程序不再是打开整个设备，而是打开存储在底层块设备上的某个文件或者目录。2VxWorks 下提高 SATA 硬盘传输速度ATA 接 口 具 有 3 种 数 据 传 输 方 式：PIO（Programmable Input-Output）传输，可以分为 PIO 寄存器传输和 PIO 数据传输。PIO 寄存器传输主要用于对 ATA 设备中的寄存器进行读写。读写的数据位数为8 位 DD7:0。ATA 主机控制器根据所要读写的寄存器地址设置 CS0_、CS1_、DA2:0地址信号，同时将DIOW_或 DIOR_设为有效，ATA 主机控制器或 ATA设备驱动数据总线释放数据。当 DIOW_或 DIOR_撤销时，ATA 主机控制器或 ATA 设备从数据总线上读取数据。MDMA（Multiword Direct Memory Access）传输，用于数据传输。ATA 主机控制器向 ATA 设备下达MDMA 传输命令后，等待设备向主机发送 DMARQ 数据传输请求信号。当主机收到 DMARQ 信号后，向设备发送 DMACK_响应信号。MDMA 数据传输过程也是通过 DIOW_或 DIOR_的周期变化来控制数据的传输。UDMA（Ultra Direct Memory Access），也是用于数据传输。这种传输方式的传输速度比 MDMA 要快，ATA/ATAPI-5 协议中所定义的 UDMA 传输方式最高数据传输速率是 66 MB/s。UDMA 对数据传输的控制信号重新进行了定义。UDMA 还引入了 CRC（CyclicRedundancy Check）数据校验机制，保证了数据传输过程的正确性。为了提升 SATA 硬盘在 IDE 驱动模式下的传输速度，需要将 BSP（Board Support Package）中的 config.h文件作如下修改。在 config.h 中进行如下设置：#defineINCLUDE_ATA#undefINCLUDE_DRV_STORAGE_INTEL_AHCI修改 SATA 硬盘的名称为“/ata0a”，具体如下：#define FS_NAMES_ATA_PRIMARY_MASTER/ata0a#defineFS_NAMES_ATA_PRIMARY_SLAVE#define FS_NAMES_ATA_SECONDARY_MASTER#define FS_NAMES_ATA_SECONDARY_SLAVE设置 BSP 中 VxWorks 系统缺省的启动路径，具体如下：#define DEFAULT_BOOT_LINE ata=0,0(0,0)host:/ata0a/vxWorks.tsth=191.8.200.69e=191.8.200.11u=targetpw=targeto=fei若 SATA 控制器的个数为 1，SATA 驱动的个数也为 1，则按照如下设置 SATA 驱动的数量、控制器的逻辑类型及中断类型：#define ATA0_CTRL_TYPE(IDE_LOCAL)/*ATA0 logical type*/#define ATA0_NUM_DRIVES(1)/*ATA 0number drives present*/#define ATA0_INT_LVL(0 x0e)/*ATA0 interrupt level*/设置 SATA 数据传输模式为 ATA_DMA_AUTO 模式，传输位数为 32 位，具体如下：#defineATA0_CONFIGScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期85(ATA_GEO_CURRENT|ATA_DMA_AUTO|ATA_BITS_32|ATA_PIO_MULTI)若 SATA 控制器的个数为 2，SATA 驱动的个数也为 2，则按照如下设置 SATA 驱动的数量、控制器的逻辑类型及中断类型：#define ATA0_CTRL_TYPE(IDE_LOCAL)/*ATA0 logical type*/#define ATA0_NUM_DRIVES(1)/*ATA 0number drives present*/#define ATA0_INT_LVL(0 x0e)/*ATA0 interrupt level*/#define ATA1_CTRL_TYPE(IDE_LOCAL)/*ATA1 logical type*/#define ATA1_NUM_DRIVES(1)/*ATA 1number drives present*/#define ATA1_INT_LVL(0 x0f)/*ATA1 interrupt level*/设 置 2 个 SATA 驱 动 的 数 据 传 输 模 式 为 均ATA_DMA_AUTO 模式，传输位数为 32 位，具体如下：#defineATA0_CONFIG(ATA_GEO_CURRENT|ATA_DMA_AUTO|ATA_BITS_32|ATA_PIO_MULTI)#defineATA1_CONFIG(ATA_GEO_CURRENT|ATA_DMA_AUTO|ATA_BITS_32|ATA_PIO_MULTI)在主板 BIOS 中设置 SATA 控制器的模式为“IDE模式”或者“兼容模式”，并设置 VxWorks 系统优先从 SATA 盘启动。3结束语针对 IDE 驱动模式下 SATA 硬盘传输速度慢的问题，本文提出了一种在 VxWorks 系统下提高 SATA 硬盘传输速度的方法。该方法首先修改 BSP 中 VxWorks系统缺省的启动路径，让它从 SATA 盘启动；然后设置 SATA 盘的名称，修改 SATA 驱动的数量，控制器的逻辑类型以及中断类型，设置 SATA 数据传输的传输模式和传输位数；最后在主板 BIOS 中设置 SATA 控制器的模式为“IDE 模式”或者“兼容模式”，并设置VxWorks 系统优先从 SATA 盘启动。本文采用 DMA模式进行 SATA 传输，能够充分发挥 SATA 协议的传输能力，将 SATA 硬盘在 VxWorks 下的读写速度提高到120 MB/s左右，完美解决了在IDE驱动模式下SATA硬盘的传输速度瓶颈问题。参考文献：1毛晓梅.基于VxWorks6.6系统的SATA控制器驱动技术研究J.工业控制计算机，2013，26（11）：129-130，1332肖忠炳，吴林峰，任金牛.基于 VxWorks 的大容量 SATA电子盘驱动实现J.航空电子技术，2012，43（1）：39-41作者简介：赵昶宇（1982），男，陕西汉中人，工学硕士，高级工程师，主要从事嵌入式系统软件测试方面的研究。（编辑：丁琳）（上接第 82 页）湿度变化分析J.高原山地气象研究，2016，36（4）：42-47.6杨雪，文元桥，黄立文，等.长江中游相对湿度的气候变化特征及其对航运的影响分析J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，37（3）：622-626.7李瑞，柳芳，冉桂平，等.乌鲁木齐市近 40 年相对湿度气候 特征 分析J.安 徽农 业科 学，2010，38（27）：15121-15122，15133.8包慧濛，肖安，李葳，等.南方比湿特征及其与暴雨的关系J.气象与环境科学，2021，44（2）：33-42.9顾天红，杜小玲，李力，等.基于探空资料的西南区域暴雨环境参数统计分析J.中低纬山地气象，2022，46（2）：27-32.10何鹏，张媛，高文波，等，四川省多年平均气温数据空间插值方法与影响因素研究J.中国农业资源与区划，2019，40（9）：114-124.11游松财，李军.海拔误差影响气温空间插值误差的研究J.自然资源学报，2005，20（1）：140-144.12江蕾，宋智.基于 CIMISS 四川地区气温观测数据的格点化应用研究G/第34届中国气象学会年会S20气象数据：深度应用和标准化论文集，北京：中国气象学会，2017：44-46.13黄嘉佑，李庆祥.气象数据统计分析方法M.北京：气象出版社，2014.14成都气象学院.气象学M.北京：农业出版社，1979.15马振峰.四川省气候业务技术手册M.北京：气象出版社，2021.作者简介：胡瑶（1982），女，四川雅安人，助理工程师，主要从事综合气象观测、资料分析与处理等工作。通信作者：李尚锦（1972），女，四川名山人，高级工程师，主要从事综合气象观测、资料预审及技术把关等工作。（编辑：丁琳）