VxWorks 系統(tǒng)下提高SATA 硬盤傳輸速度的方法

趙昶宇

（天津津航計(jì)算技術(shù)研究所，天津 300308）

在VxWorks 嵌入式操作系統(tǒng)中，隨著嵌入式設(shè)備功能的日益強(qiáng)大，需要記錄的數(shù)據(jù)量也隨之日益增多。因此，對相應(yīng)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)容量和讀寫速度提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口由于存在數(shù)據(jù)傳輸速度慢，甚至數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等缺陷，已經(jīng)不滿足當(dāng)下嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)需求。

串行高級(jí)技術(shù)附件接口（SATA）作為新一代存儲(chǔ)數(shù)據(jù)接口，具有傳輸速度快、可靠性高、支持熱插拔等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種存儲(chǔ)系統(tǒng)中。串行ATA 高級(jí)主機(jī)控制器接口（Serial ATA Advanced Host Controller Interface，AHCI）專為SATA 協(xié)議開發(fā)，充分發(fā)揮SATA 協(xié)議的傳輸能力，并極大方便了驅(qū)動(dòng)軟件的移植。

但是，不是所有主板上處理器的存儲(chǔ)接口都支持AHCI。對于那些僅支持IDE 接口的處理器，在BIOS（Basic Input Output System，基本輸入輸出系統(tǒng)）兼容模式下使用SATA 硬盤，其傳輸速度的峰值為30 MB/s，遠(yuǎn)低于SATA 1.0 的理論最高傳輸速率（150 MB/s）。為了提高IDE 驅(qū)動(dòng)模式下SATA 硬盤的傳輸速度，充分發(fā)揮SATA 協(xié)議的傳輸能力，本文提出了一種在VxWorks 系統(tǒng)下提高SATA 硬盤傳輸速度的方法。該方法能夠在IDE 驅(qū)動(dòng)模式下，提高SATA硬盤的傳輸速度，充分發(fā)揮SATA 協(xié)議的傳輸能力。

1 SATA 驅(qū)動(dòng)和dos 文件系統(tǒng)的交互流程

VxWorks 的文件系統(tǒng)并不是直接與塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)交互，VxWorks6.8 以后在塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)之上封裝了XBD（Extend Block Device）層，應(yīng)用軟件的讀寫請求通過文件系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)文件存取控制接口訪問XBD 層，并由XBD 層對塊設(shè)備發(fā)起讀寫請求，塊設(shè)備根據(jù)接收到的讀寫命令調(diào)用自身的讀寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)來操作硬件[1]。

VxWorks 下SATA 驅(qū)動(dòng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 VxWorks 下SATA 驅(qū)動(dòng)的框架結(jié)構(gòu)

SATA 驅(qū)動(dòng)和dos 文件系統(tǒng)的交互流程如下。

步驟一：VxWorks 系統(tǒng)上電后，完成必要的初始化后，運(yùn)行usrRoot 函數(shù)開始執(zhí)行第一個(gè)內(nèi)核任務(wù)。

步驟二：usrRoot 函數(shù)中調(diào)用usrDosfsInit 函數(shù)對dosFs 文件進(jìn)行系統(tǒng)初始化，usrDosfsInit 函數(shù)調(diào)用完dosFsInit 函數(shù)之后會(huì)調(diào)用 fsmProbeInstall（dosFsDiskProbe，dosFsMonitorDevCreate）和底層驅(qū)動(dòng)建立鏈接。

步驟三：usrRoot 函數(shù)然后調(diào)用xbdInit 函數(shù)對XBD層進(jìn)行初始化，XBD 初始化完后緊接著會(huì)有fsMonitorInit 函數(shù)，并且注冊了關(guān)于XBD 的事件處理函數(shù)[2]。

步驟四：usrRoot 函數(shù)調(diào)用usrAtaInit 函數(shù)完成對SATA 設(shè)備的初始化，然后調(diào)用usrAtaConfig 函數(shù)，主要完成2 件事情，第一件為調(diào)用fsmNameInstall 函數(shù)，向文件系統(tǒng)添加SATA 設(shè)備名，添加到fsmNameList列表中；第二件為調(diào)用ataXbdDevCreate 函數(shù)，將SATA底層驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)注冊到XBD 層。

在usrAtaConfig 函數(shù)中調(diào)用ataDevCreate 函數(shù)完成BLK_DEV 結(jié)構(gòu)初始化以及所有其他準(zhǔn)備工作。當(dāng)ataXbdDevCreate 函數(shù)返回后，底層塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及塊設(shè)備本身等待上層設(shè)備操作請求。

BLK_DEV 結(jié)構(gòu)是文件系統(tǒng)層與底層塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)層之間信息交互的唯一“媒介”，BLK_DEV 結(jié)構(gòu)包含的信息有：①塊設(shè)備數(shù)據(jù)寫入函數(shù)；②塊設(shè)備數(shù)據(jù)讀取函數(shù)；③塊設(shè)備控制函數(shù)；④塊設(shè)備本身關(guān)鍵參數(shù)信息，如總扇區(qū)數(shù)（或總塊數(shù)）、磁道數(shù)、磁頭數(shù)、每磁道扇區(qū)數(shù)，對于非硬盤塊設(shè)備，還需提供每個(gè)塊的字節(jié)數(shù)；⑤執(zhí)行完ataDevCreate 函數(shù)之后，底層的SATA 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)就已經(jīng)準(zhǔn)備好，再回看步驟②中的dosFsMonitorDevCreate 函數(shù)，dosFS 在初始化之后，先調(diào)用 dosFsMonitorDevCreate 函數(shù)，再調(diào)用dosFsDevCreate 函數(shù)。

dosFsDevCreate 函數(shù)的功能如下：完成dosFs 文件系統(tǒng)與底層塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的銜接工作，具體是通過傳遞一個(gè)由底層驅(qū)動(dòng)初始化的BLK_DEV結(jié)構(gòu)給dosFs中間層完成的，BLK_DEV 結(jié)構(gòu)包含底層塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵信息；完成塊設(shè)備節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建和向系統(tǒng)設(shè)備列表注冊的工作，這個(gè)工作完成后，底層塊設(shè)備就對用戶可見了，用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)對塊設(shè)備進(jìn)行操作；對dosFs 文件系統(tǒng)本身的一些參數(shù)進(jìn)行初始化，如最大文件句柄數(shù)，文件系統(tǒng)一致性檢查級(jí)別。

步驟五：dosFsDevCreate 函數(shù)調(diào)用完成后，應(yīng)用層程序就可以對底層塊設(shè)備進(jìn)行操作了。基于dosFs的塊設(shè)備將以文件和目錄層次性的視圖提供給用戶層，所以用戶只是對塊設(shè)備中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行操作，從上層來看，就是對某個(gè)文件或者目錄的操作。此時(shí)用戶程序不再是打開整個(gè)設(shè)備，而是打開存儲(chǔ)在底層塊設(shè)備上的某個(gè)文件或者目錄。

2 VxWorks 下提高SATA 硬盤傳輸速度

ATA 接口具有3 種數(shù)據(jù)傳輸方式：①PIO（Programmable Input-Output）傳輸，可以分為PIO 寄存器傳輸和PIO 數(shù)據(jù)傳輸。PIO 寄存器傳輸主要用于對ATA 設(shè)備中的寄存器進(jìn)行讀寫。讀寫的數(shù)據(jù)位數(shù)為8 位DD[7:0]。ATA 主機(jī)控制器根據(jù)所要讀寫的寄存器地址設(shè)置CS0_、CS1_、DA[2:0]地址信號(hào)，同時(shí)將DIOW_或DIOR_設(shè)為有效，ATA 主機(jī)控制器或ATA設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線釋放數(shù)據(jù)。當(dāng)DIOW_或DIOR_撤銷時(shí)，ATA 主機(jī)控制器或ATA 設(shè)備從數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)。②MDMA（Multiword Direct Memory Access）傳輸，用于數(shù)據(jù)傳輸。ATA 主機(jī)控制器向ATA 設(shè)備下達(dá)MDMA 傳輸命令后，等待設(shè)備向主機(jī)發(fā)送DMARQ 數(shù)據(jù)傳輸請求信號(hào)。當(dāng)主機(jī)收到DMARQ 信號(hào)后，向設(shè)備發(fā)送DMACK_響應(yīng)信號(hào)。MDMA 數(shù)據(jù)傳輸過程也是通過DIOW_或DIOR_的周期變化來控制數(shù)據(jù)的傳輸。③UDMA（Ultra Direct Memory Access），也是用于數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸方式的傳輸速度比MDMA 要快，ATA/ATAPI-5 協(xié)議中所定義的UDMA 傳輸方式最高數(shù)據(jù)傳輸速率是66 MB/s。UDMA 對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)重新進(jìn)行了定義。UDMA 還引入了CRC（Cyclic Redundancy Check）數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的正確性。

為了提升SATA 硬盤在IDE 驅(qū)動(dòng)模式下的傳輸速度，需要將BSP（Board Support Package）中的config.h文件作如下修改。

在config.h 中進(jìn)行如下設(shè)置：

若SATA 控制器的個(gè)數(shù)為1，SATA 驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)也為1，則按照如下設(shè)置SATA 驅(qū)動(dòng)的數(shù)量、控制器的邏輯類型及中斷類型：

設(shè)置SATA 數(shù)據(jù)傳輸模式為ATA_DMA_AUTO 模式，傳輸位數(shù)為32 位，具體如下：

若SATA 控制器的個(gè)數(shù)為2，SATA 驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)也為2，則按照如下設(shè)置SATA 驅(qū)動(dòng)的數(shù)量、控制器的邏輯類型及中斷類型：

在主板BIOS 中設(shè)置SATA 控制器的模式為“IDE模式”或者“兼容模式”，并設(shè)置VxWorks 系統(tǒng)優(yōu)先從SATA 盤啟動(dòng)。

3 結(jié)束語

針對IDE 驅(qū)動(dòng)模式下SATA 硬盤傳輸速度慢的問題，本文提出了一種在VxWorks 系統(tǒng)下提高SATA 硬盤傳輸速度的方法。該方法首先修改BSP 中VxWorks系統(tǒng)缺省的啟動(dòng)路徑，讓它從SATA 盤啟動(dòng)；然后設(shè)置SATA 盤的名稱，修改SATA 驅(qū)動(dòng)的數(shù)量，控制器的邏輯類型以及中斷類型，設(shè)置SATA 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ胶蛡鬏斘粩?shù)；最后在主板BIOS 中設(shè)置SATA 控制器的模式為“IDE 模式”或者“兼容模式”，并設(shè)置VxWorks 系統(tǒng)優(yōu)先從SATA 盤啟動(dòng)。本文采用DMA模式進(jìn)行SATA 傳輸，能夠充分發(fā)揮SATA 協(xié)議的傳輸能力，將SATA 硬盤在VxWorks 下的讀寫速度提高到120 MB/s 左右，完美解決了在IDE 驅(qū)動(dòng)模式下SATA硬盤的傳輸速度瓶頸問題。