[发明专利]一种用于TSN端系统支持高确定性网络报文接收的DMA方法

说明书

本发明公开一种用于TSN端系统支持高确定性网络报文接收的DMA方法，步骤包括：S1.配置提交控制表以及地址信息表；S2.判断是否接收到时间敏感报文，如果是跳转至S3；否则跳转至S4；S3.取出对应的报文缓冲区地址，通过DMA将报文写入主存的缓冲区中，并遍历提交控制表，寻找到第一个符合当前流id的目标表项，更新就绪状态；S4.计算全局时间与调度周期开始时间之间的差值，判断是否等于提交偏移时刻，如果是且处于就绪状态则跳转至S5；S5.取出对应的描述符地址，并通知DMA提交对应的描述符，更新对应表项的就绪状态。本发明能够降低报文接收的抖动、提高接收报文的延时确定性，从而提高报文的端到端确定性。

技术领域

本发明涉及时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)中DMA(DirectMemory Access，直接存储器访问技术领域，尤其涉及一种用于TSN端系统支持高确定性网络报文接收的DMA方法。

背景技术

在工业控制、自动驾驶、智能电网等应用场景中，存在一类对延时和抖动有着严格要求的周期性实时流量，即为时间敏感流，属于时间敏感流量的报文即为时间敏感报文。某些应用中时间敏感流对端到端确定性也提出了严格要求，例如自动驾驶系统中的时间敏感流要求端到端延时在100微秒至250微秒之间，端到端抖动在数十微秒以下，其中端到端确定性是指发送端任务发送的报文能够在指定的时间窗口内到达接收任务。端到端确定性作为一种系统级的属性，其需要由端系统上的确定性和网络内的确定性共同保证。

为保证时间敏感流量在网络内的传输确定性，IEEE 802.1Q TSN工作组提出时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)，它在标准以太网的基础上引入了时间同步、确定性分组转发、帧复制及冗余消除技术、资源预留等功能。TSN通过在标准以太网上引入时间因素，将“事件触发”的标准以太网升级成为“时间触发”的以太网。TSN同步交换机和端系统网卡的时间，以及各个网络节点的时间与全局时间对齐，并将全局时间划分成等长的时间槽。由于时间敏感流是周期性的、静态的，一条时间敏感流可以用源端、目的端、周期、报文长度、截止时间五元组来描述，因此每条时间敏感流量都能够被预先规划，得到一个调度计划。TSN中由调度计划规定，在一个调度周期内，每条时间敏感流在哪个时间槽由哪个交换机转发出去，以使时间敏感流的QoS得到保证，其中调度周期即TSN网络内所有时间敏感流的周期的最小公倍数。

在端系统上，报文从物理链路到任务内存需要依次经过网卡交换、DMA引擎、网卡驱动、协议栈，其中网卡从物理链路上接收到报文，进行交换处理后，通过DMA引擎将报文写到主存；接着网卡驱动处理报文，并将报文交给TCP/IP协议栈；协议栈完成处理后，应用就能够通过系统调用如rcvmsg()等接收到报文。DMA引擎是保证端系统确定性的重要一环，DMA引擎采用DMA技术将网卡上的报文写入内存。DMA是I/O设备在无需CPU干预的情况下直接与内存交换数据的一种数据传输方式，与DMA技术相对应的可编程I/O技术，它需要CPU提供一组指令来控制管理I/O系统，以完成I/O设备与内存之间的数据交换。与可编程I/O相比，DMA传输数据无需CPU的参与，因而能够大大降低CPU的工作负载。

标准DMA引擎与网卡驱动是通过描述符机制和中断机制交换数据，其过程具体如下：

1、在DMA引擎接收报文之前，网卡驱动首先会在内存初始化描述符环，DMA引擎将描述符环从内存取到网卡存储结构内。描述符环是DMA引擎和网卡驱动交换报文的关键数据结构，由一个个描述符组织成环形结构。描述符包括一个指向报文缓冲区的指针，即报文缓冲区的物理地址。描述符可以看做报文缓冲区的摘要，报文缓冲区才是真正存放报文的地方。描述符的具体数据结构与网卡相关，但其关键字段大致相同，包括报文缓冲区的地址和状态位。状态位用于指示该描述符指向的报文缓冲区内是否有报文。