門鈴響應(yīng)函數(shù)中數(shù)據(jù)讀取優(yōu)化方法

許 菁，黃 震，韓向清，付 林

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

在雷達(dá)信號(hào)處理或數(shù)據(jù)處理中，當(dāng)使用PPC的RapidIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常采用門鈴來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸完成后的消息中斷。對(duì)于這樣的門鈴中斷函數(shù)，需要盡可能快地完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，以避免多次傳輸導(dǎo)致來不及處理的數(shù)據(jù)丟失。一般在進(jìn)行大量不確定數(shù)量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)在數(shù)據(jù)頭中設(shè)計(jì)一個(gè)字段來描述當(dāng)次傳輸?shù)臄?shù)量?，F(xiàn)有處理方法會(huì)通過內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)將數(shù)據(jù)頭復(fù)制一個(gè)副本，然后對(duì)副本中的長(zhǎng)度字段進(jìn)行讀取。

本文對(duì)現(xiàn)有處理方法進(jìn)行優(yōu)化，以減少使用內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)的應(yīng)用，提高輸出讀取的效率。

1 原 理

在PowerPC的RapidIO數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要進(jìn)行內(nèi)存地址映射，讀取傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是通過直接訪問內(nèi)存地址實(shí)現(xiàn)的。

編譯器實(shí)現(xiàn)直接(或間接)地址訪問讀取數(shù)據(jù)，可以表達(dá)為

MOV AX，[Address]

(1)

而對(duì)結(jié)構(gòu)體的字段訪問表達(dá)為

MOV AX，[Address + offset]

(2)

式中，Address為結(jié)構(gòu)體的首地址；offset為字段相對(duì)首地址的偏移量。

采用內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)復(fù)制數(shù)據(jù)頭的副本，實(shí)際上是對(duì)式(1)、跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句(jnz)以及計(jì)數(shù)器的多次調(diào)用，它主體的匯編表達(dá)將如下所示：

10：MOV CX，Count

20：MOVEAX，[Address]

30：MOV [DST]，EAX

40：INC Address

(3)

50：INC DST

60：DEC CX

70：JNZ 20

同時(shí)，采用內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)還將帶來函數(shù)開銷，如寄存器保存、函數(shù)堆棧等操作，這將涉及ESP、EBP等棧寄存器和EAX、ECX、EDX等調(diào)用者寄存器及EBX、ESI、EDI等被調(diào)用者寄存器的操作和保存。

首先，調(diào)用內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)時(shí)，需要先將EAX、ECX、EDX等調(diào)用者寄存器進(jìn)行保存：

10：PUSH EAX

20：PUSH EBX

30：PUSH ECX

其次，需要將輸入給內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)的參數(shù)，入棧后推送給內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)：

10：MOV EAX，[Address1]

20：PUSH EAX

30：MOV EAX，[Address2]

40：PUSH EAX

然后，內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)執(zhí)行式(3)所示的函數(shù)主體；

再者，內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)將執(zhí)行結(jié)果入棧：

10：MOV EAX，[Address3]

20：PUSH EAX

最后，調(diào)用函數(shù)將棧中結(jié)果出棧，并還原保存的寄存器：

10：POP EAX

20：MOV[Address4]，EAX

30：POP EAX

40：POP EAX

50：PUSH ECX

60：PUSH EBX

70：PUSH EAX

上述開銷將占用大量的CPU時(shí)間，對(duì)于門鈴響應(yīng)來說會(huì)造成較長(zhǎng)時(shí)間的延遲，如果在此時(shí)間內(nèi)有新的接口操作和門鈴響應(yīng)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。

2 設(shè) 計(jì)

從式(1)、(2)的描述可以看出，盡管C語(yǔ)言程序的寫法不一致，但是實(shí)際上對(duì)內(nèi)存的訪問方法是統(tǒng)一的。因此，只要通過強(qiáng)制類型的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)字段的訪問，就可以達(dá)到同樣的目的。方法如下式所示：

int datalen=(([datastruct]*)address)->[lenfield]

(4)

式中，[datastruct]為待轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體類型描述字；[datastruct]*為該類型的指針；address為數(shù)據(jù)首地址；[lenfield]為描述數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的字段名。

式(4)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)地址描述變量到結(jié)構(gòu)體類型指針的轉(zhuǎn)換以及對(duì)結(jié)構(gòu)體字段的訪問，從表達(dá)上看，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，可能也將占用一定的CPU開銷。但是從編譯器的表達(dá)上看，則恰恰相反，由于這個(gè)類型指針的轉(zhuǎn)換過程及對(duì)結(jié)構(gòu)體字段的訪問的表達(dá)將在編譯階段完成，實(shí)際的有效運(yùn)行指令將極為簡(jiǎn)單，示意如下式所示：

10：MOV EAX，[Address + offset]

20：MOV [DST]，EAX

(5)

可以看出：對(duì)地址描述變量到結(jié)構(gòu)體類型指針的轉(zhuǎn)換以及對(duì)結(jié)構(gòu)體字段的訪問，通過編譯過程就僅僅表達(dá)為首地址和偏移量的表達(dá)，兩個(gè)過程被濃縮成一條指令，大大減少了實(shí)際有效運(yùn)行指令數(shù)，將極大地提高運(yùn)行效率。

3 仿真分析

在驗(yàn)證程序中，設(shè)計(jì)百萬次同樣操作的循環(huán)，分別采用內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)和本文設(shè)計(jì)方法來讀取一個(gè)字段，最終得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 運(yùn)行時(shí)間比較

可以看出：本文方法所需的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)，運(yùn)行效率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，將極大節(jié)省CPU的運(yùn)行開銷，減少門鈴響應(yīng)函數(shù)的響應(yīng)時(shí)間，降低由于內(nèi)存搬移時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致新一次數(shù)據(jù)覆蓋上一次有效數(shù)據(jù)的幾率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了采用地址描述變量到結(jié)構(gòu)體類型指針轉(zhuǎn)換以及對(duì)結(jié)構(gòu)體字段訪問替代內(nèi)存復(fù)制函數(shù)(memcpy)的方法。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該方法可有效提高運(yùn)行效率，降低數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)被覆蓋而導(dǎo)致丟失的幾率，可以在基于PowerPC的雷達(dá)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理軟件中推廣，具有一定的實(shí)用價(jià)值。