基于FC總線的多核通信中間件設計與實現

朱 強

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000）

當前，隨著戰斗機作戰任務的復雜度越來越高，對戰斗機的航電系統要求也越來越高，綜合核心處理機是航電任務系統核心組成部分，任務系統的大部分應用程序都駐留在綜合核心處理機中，比如，火控管理、戰術決策、導航解算、傳感器管理、數據融合、顯示控制等。這些應用對綜合核心處理機的硬件要求也越來越高。隨著電子技術的發展，單純提高處理器的主頻的空間越來越小，而目前多核是處理器發展的主要方向。在航空電子系統中，多核處理器也開始在各種型號處理器中使用。飛思卡爾推出的T2080處理器是四核八線程高性能處理器，每個核的最高主頻可達1.8 GHz，而風河公司推出的vxWorks653 3.0多核操作系統也支持T2080處理器。在多核系統中，其應用程序的部署方式以及驅動開發等與在單核系統中不同。在某型號綜合核心處理機驗證系統中高性能數據處理單元以T2080多核處理器為硬件平臺，以vxWorks653 3.0為軟件平臺，負責運行各種任務系統的應用程序。圖1是高性能數據處理模塊組成框圖。

圖1 高性能數據處理模塊組成框圖

1 方案設計

在高性能數據處理單元中，多核通信中間件運行在核0分區操作系統中，核0上的分區還運行FC驅動程序。多核通信中間件主要完成數據的轉發工作，即將應用程序需要發送的數據通過端口PORT發送到中間件，中間件將數據轉發到FC總線，或者中間件將數據直接轉發到其他分區應用中。同時中間件接收FC總線的數據或者其他分區的數據，并將數據轉發到對應的分區應用中。此外還具備消息組播功能，即收到消息后，根據配置轉發到多個端口中[1]。

在多核通信中間件中，主要包含三個模塊，分別是應用程序發送模塊、應用程序接收模塊、轉換算法模塊。

（1）應用程序發送模塊：完成從端口中接收分區應用發過來的數據，根據配置，將數據轉發到FC總線或者將數據轉發到對應的分區應用中。

（2）應用程序接收模塊：根據配置，從FC驅動中接收數據或者從分區應用中接收數據，然后將數據單發或者以組播方式發送到對應的接收分區應用中。

（3）轉換算法模塊：多核通信中間件在初始化時，需要完成配置表到轉發表的轉換，涉及的兩個轉換分別是，組播轉換和核間通信轉發時需要的索引轉換。

多核通信中間件在運行時先初始化發送和接收的配置表數據結構、創建端口、轉換成發送和接收轉發表，然后創建應用程序接收任務和應用程序發送任務，兩個任務會讀取轉發表的信息進行數據轉發。

圖2 多核通信中間件架構圖

2 轉換算法

多核通信中間件在初始化時需要將配置表轉換成轉發表，配置表是多核通信中間件的輸入，包括發送配置表和接收配置表。轉發表是多核通信中間件將配置表轉換后形成的，在進行多核通信轉發時用到的信息都在轉發表中。轉換算法分為組播算法和內部轉發算法[2]。

發送和接收配置表的信息主要包括消息ID、消息類型、端口名稱、消息大小、最大消息數量、以及內部和外部標志等。發送和接收配置表使用相同的結構體，結構體成員信息如下。

發送轉發表的信息主要包括消息ID、消息類型、消息大小、消息數量、發送端口portID、核間通信時對應的接收轉發表的索引、內部外部標識等。發送轉發表的結構體成員信息如下。

接收轉發表的信息主要包括消息ID、消息類型、消息大小、消息數量、接收端口portID數組、接收端口PortID數量、核間通信時對應的發送轉發表的索引、內部外部標識等。接收轉發表的結構體成員信息如下。

發送轉發表與接收轉發表不同的地方在于接收轉發表的端口portID是數組。當多核通信中間件收到FC總線消息或者分區應用的消息后，將消息組播到對應分區，而接收端口的portID數組則保存了組播時需要的端口信息，進行組播時遍歷這個數組，逐條轉發。

2.1 組播算法

組播算法的核心思想是將接收配置表的信息進行重組后轉化成接收轉發表，當多核中間件進行轉發時，讀取轉發表的信息就可以完成組播消息轉發。配置表和轉發表的轉換是遍歷配置表里的所有消息ID，當配置表中有多個相同的消息ID時，代表這些相同的消息ID為組播消息。轉發表過濾并記錄這些相同的消息ID，并保存在數組中，在進行轉發時，遍歷這個數組就可以逐條轉發[3]。

假設接收配置表為集合T={T[0],T[1],T[2],T[3]…}，假設接收轉發表集合S={S[0],S[1],S[2],S[3]…}

（1）初始狀態，轉發表接收集合S={0}為空，配置表接收集合T={T1,T2,T3,T4…}。接收轉發表結構體創建時被初始化為0。

（2）遍歷接收配置表的每一項，并和接收轉發表的每一項的消息ID進行比對。

（3）如果接收配置表的消息ID和接收轉發表的消息ID不同，則將接收配置表的消息ID等信息復制到接收轉發表的當前最后一項中。

（4）如果接受配置表的消息ID和接收轉發表的消息ID相同，則說明有組播消息，因為在組播消息中多個接收的消息ID相同，在轉發表中需要將這些相同的消息ID進行記錄，相同消息的ID不再在轉發表中占用新的結構體空間，而是將這些相同的ID放到一個結構體空間中，只需要記錄其portID即可，這樣在進行轉發過的過程中，收到消息后，遍歷所有對應的發送PortID即可。

2.2 內部轉發算法

由于vxWorks653 3.0提供了基于port的核間通信機制，因此分區之間的應用即可以通過FC總線進行通信，也可以不經過FC總線，中間件收到分區的消息后，直接轉發到對應的接收分區。這樣可以減輕FC總線通信壓力。

集合T代表轉發表中發送信息，包括發送消息msgID、發送端口portID、內部轉發標志、內部轉發對應的接收索引等。集合R代表轉發表中的接收信息，包括接收消息msgID、接收端口portID、內部轉發標志、內部轉發對應的發送索引等。

遍歷轉發表中接收信息的每一項，判斷其內外轉發標志，如果是外部，即標志為EXTRAL，代表消息從FC總線接收，此時內部轉發對應的發送索引設置為-1。

如果是內部，即標志為INTERNAL，代表消息直接從分區中接收。遍歷轉發表中的發送信息的每一項，如果發送信息中的消息msgID和接收信息中的消息msgID相同，則發送信息中的結構體記錄接收信息的索引，同樣接收信息的結構體記錄發送信息的索引。

3 應用程序接收任務

應用程序接收任務負責從FC總線接收數據或者從其他分區中接收數據然后轉發到對應的分區應用中。

圖3 應用程序接收任務流程圖

（1）遍歷接收轉發表中的每條信息，判斷內部外部標志。

（2）如果是外部標志，則說明任務從FC總線接收數據，然后再組播到對應的分區應用中。其中單播是組播的一種情況，只是需要轉發的消息個數為1，這樣就可以都統一按照組播轉發。

（3）如果是內部標志，則說明任務是從其他分區中接收數據，然后再組播到對應的分區應用中。其中單播是組播的一種情況，只是需要轉發的消息個數為1，這樣就可以都統一按照組播轉發。

4 應用程序發送任務

應用程序發送任務負責將分區應用中的數據發送到FC總線或者轉發到對應的其他分區應用中。

（1）遍歷發送轉發表中的每條信息，判斷內部外部標志。

（2）如果是外部標志，則說明任務從應用分區中接收數據再發送到FC總線。

（3）如果是內部，則說明任務從應用分區中接收數據直接組播到其他分區中。其中單播是組播的一種情況，只是需要轉發的消息個數為1，這樣就可以都統一按照組播轉發。

5 結束語

本文提出了基于FC總線的多核通信中間件實現方案，該方案對于分區間通信本文提供了兩個可以配置的方案，即發送分區將數據發送到多核通信中間件，中間件根據配置信息，即可以將數據發送到FC總線后再經過FC交換機轉到多核通信中間件，中間件再將數據發送到接收分區中。還可以將數據直接轉發到接收分區中。這樣可以減輕FC子卡的通信壓力。同時本文中的多核通信中間件還實現了消息多播功能。經過測試，該方案轉發效率高，配置靈活。

圖4 應用程序發送任務流程圖