在VxWorks系统下改善RTL8139驱动实现提高其稳定性和效率

引言

RTL8139是台湾Realtek半导体公司生产的一种快速以太网控制器，提供符合PCI2.2标准的接口，兼容IEEE802.3u 100BASE－T规范，支持IEEE－802.3x全双工流量控制，支持10Mbit.s－1/100Mbit.s－1全双工、半双工自适应，价格便宜，性能稳定，是PC机、电信终端产品中应用最多的以太网控制器之一。RTL8139在各种操作系统下的驱动都能从Realtek公司网页下载，其中包括VxWorks系统下的驱动，而且提供C源代码。但是在嵌入式系统下，针对不同的硬件平台，往往需要修改该驱动程序以提高其稳定性和效率。基于MPC8241 CPU的硬件平台，本文提出RTL8139在VxWorks系统下驱动程序的改进措施。

1、 硬件平台简介

图1所示为某交换机终端设备的部分硬件框图。

CPU采用Motorola公司的PowerPC系列处理器之一的MPC8241，该芯片除嵌入32位PowerPC处理器内核外，还集成了MPC107桥，提供PCI接口与RTL8139连接，桥上有内存控制器，挂16MB SDRAM和4 MBFlash。CPU时钟是166MHz，SDRAM时钟是66MHz，PCI时钟是33MHz，RTL8139工作在10Mbit/s，半双工方式，通过集线器（HUB）连入Internet，其作用是转发由话音信号打成的数据包，要求1200pps（每秒数据包），且CPU占用率不高于50％。

VxWorks支持END（增加型网络驱动）格式的以太网控制器驱动，提供MUX层作为网络协议和以太网控制器驱动间的接口，MUX规定了驱动的接口函数，RTL8139驱动程序Rtl8139End.c是完全按照END格式编写的代码，提供了所有MUX层规定的接口函数，只要写好RTL8139 PCI配制空间寄存器，在sysRtl8139End.c中传入PCI空间首地址、中断向量号和中断优先级参数，按照END格式驱动装载程序，装载成功后RTL8139就能顺利运行。

2、 驱动程序中需要解决的问题

如果数据包的收发速率是均匀的，RTL8139完全可以达到前文提出的要求，但是Internet上经常有突发的数据包，而RTL8139的接收FIFO和发送FIFO都只有2Kb，加之RTL8139对收发数据包采取完全拷贝方式，在数据包突发期间，CPU占用率过高，来不及处理过多的数据包，从而造成丢包。在Rtl8139End.c中，驱动的数据包缓冲和协议栈的内存池是完全分开的，数据包接收和发送都有1次拷贝过程，而高性能以太网控制器一般只在发送时需要拷贝1次，这样每收发一个包，CPU需要多拷贝1次，这是导致RTL8139性能不高的重要原因，但这种包处理方式是由硬件决定的，驱动程序不能改变。事实上，在突发包很多的情况下，以太网控制器丢包是允许的，但突发时间过后，应恢复正常的收发包流程。但在前文介绍的硬件平台上运行Rtl8139End.c，在PC机上用Sniffer以连续方式给RTL8139发数据包，测试时间为数十秒，停止发包后，在PC机上用ping命令测试RTL8139能否正常回包，结果不能ping通，表明RTL8139的收发包流程因突发包太多而中断，且不能恢复。

分析Rtl8139End.c程序，其发送数据包流程如图2所示。

RTL8139有4个发送描述符，有各自的发送状态寄存器TSD0～TSD3和发送起始地址寄存器TSAD0～TSAD3，每个发送描述符可发送1个数据包。在函数Rtl8139Send（）中申请1个发送数据包缓冲区，将协议栈传下来的数据包拷贝进该缓冲区，然后将该缓冲区的首地址写入发送起始地址寄存器，最后填写发送状态寄存器，并将其OWN位置0，表示将该缓冲区交给RTL8139的发送DMA管理，启动发送操作。发送完成后RTL8139产生中断，进人中断服务程序Rtl8139Int（），调用Rtl8139HandleSendInt（），在该函数中读取发送状态寄存器。如果OWN位为1，则表示发送DMA操作完成，释放相应的发送缓冲；否则表示发送DMA操作未完成，该发送缓冲仍由RTL8139硬件所有，下次进入发送中断再重新查看OWN位。如此循环往复，直到OWN位变为1，才能释放相应的发送缓冲，其占用的发送描述符变为可用。

以上过程可归结为两点：

a）在Rtl8139Send（）中申请1个数据包缓冲区，占用1个发送描述符；

b）在Rtl8139Int（）中释放相应的数据包缓冲区和发送描述符。

从以上分析可以看出，只要发包的这两个环节不出问题，发包流程就不会中断，另外，在Rtl8139HandleSendInt（）中，不是仅仅释放1个包缓冲和描述符，而是将所有启动过发包操作、发送状态寄存器的OWN位变为1的描述符和相应包缓冲都释放掉。这样可增强程序的稳定性，在有突发包的情况下，CPU可能来不及响应中断，即造成中断丢失，但只要还有1个描述符可用，发包完成后能进中断，就可以把以前占用的缓冲和描述符全部释放掉。如果突发包太多，CPU连续4个发包中断未响应，发送描述符全被占用，下次进入Rtl8139Send（）将无发送描述符可用，也就不会再有发包中断，Rtl8139HandleSendInt（）不会被调用，发送描述符无法释放，发包流程就此中断，不能恢复，这就是上述RTL8139不能ping通的原因。

3 、解决办法

根据以上分析，只有将被占用的发送描述符和发送缓冲释放，发包流程才能恢复，这只要调用一次Rtl8139HandleSendInt（）就能实现。MPC8241片内集成有4个定时器（TimerO～Timer3），可以使用其中的TimerO来产生硬件定时中断。在中断服务程序中，以Rtl8139HandleSendInt函数指针作为入口参数调用netJobAdd（），这样就可以定时执行Rtl8139HandleSendInt（），及时释放被占用的发送描述符。这需要在Rtl8139Start（）中添加如下代码：

其中：（pDrvCtrl-》TxRingFree《0）表示没有空闲发送描述符。

修改后的驱动再用前文介绍的方法测试，Sniffer发包停止后，RTL8139能恢复。改用Smartbit测试，以半双工、10 Mbit/s线速给RTL8139发包，发包停止后，RTL8139仍能恢复。用Smartbit以1 200pps匀速率给RTL8139发包，包长240字节。测试结果为：RTL8139不丢包，CPU占用率45％。

4 、结束语

采用本文介绍的方法改进RTL8139驱动，能有效地增强程序的鲁棒性，又不会降低效率，在交换机终端上长时间运行稳定，性能完全满足要求。

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