杭州三匯將DMA技術(shù)成功應用于數字中繼語(yǔ)音卡
2007/01/30
杭州三匯作為一家自主研發(fā)語(yǔ)音卡的成熟廠(chǎng)商，近年來(lái)一直不斷致力于提高現有語(yǔ)音卡的功能，使其更為完善，效率更高。
三匯新一代大容量PCI/cPCI數字中繼語(yǔ)音卡全面換裝了功能更為強大的PCI接口芯片，該接口芯片能夠支持對PCI總線(xiàn)進(jìn)行MASTER模式操作，從而實(shí)現了真正的DMA操作，也就是實(shí)現了大流量的語(yǔ)音數據通過(guò)PCI總線(xiàn)時(shí)不需要占用CPU時(shí)間。
DMA技術(shù)的成功運用，并不僅僅是換一個(gè)芯片這么簡(jiǎn)單，而是對數據流處理方式的一系列重大改變。電話(huà)語(yǔ)音卡的數據傳輸主要是在主機CPU和板載的DSP之間進(jìn)行，用來(lái)實(shí)現語(yǔ)音錄放和控制命令和狀態(tài)的交互。傳統的由CPU進(jìn)行直接I/O操作的數據傳送方式，主機CPU可以直接訪(fǎng)問(wèn)DSP的內存數據，就可以直接讀寫(xiě)每個(gè)語(yǔ)音通道的各類(lèi)數據，包括錄放音緩沖及其指針，命令/狀態(tài)寄存器等，相對來(lái)說(shuō)實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單。但是采用了DMA之后，這種工作方式就行不通了。
先從DMA的工作原理說(shuō)起：DMA（Direct Memory Access） ，即直接存儲器存取，是一種快速傳送數據的機制。數據傳遞可以從適配卡到內存，或是從一段內存到另一段內存。利用它進(jìn)行數據傳送時(shí)不需要CPU的參與。每臺電腦主板上都有DMA控制器，通常計算機對其編程，這些程序控制DMA傳送數據。一旦控制器初始化完成，數據開(kāi)始傳送，DMA就可以脫離CPU，獨立完成數據傳送。利用DMA傳送數據的另一個(gè)好處是，數據直接在源地址和目的地址之間傳送，不需要中間媒介。如果通過(guò)CPU把一個(gè)字節從適配卡傳送至內存，需要兩步操作。首先，CPU把這個(gè)字節從適配卡讀到內部寄存器中，然后再從寄存器傳送到內存的適當地址。DMA控制器將這些操作簡(jiǎn)化為一步，它操作總線(xiàn)上的控制信號，使讀寫(xiě)字節一次完成。這樣就大大提高了計算機運行速度和工作效率。
計算機發(fā)展到今天，DMA已不再用于內存到內存的數據傳送，因為CPU速度非常快，做這件事，比用DMA控制器還要快，但要在適配卡和內存之間傳送數據，仍然是非DMA莫屬。要從適配卡到內存傳送數據，DMA同時(shí)觸發(fā)從適配卡讀數據總線(xiàn)(即I/O讀操作)和向內存寫(xiě)數據的總線(xiàn)。激活I(lǐng)/O讀操作就是讓適配卡把一個(gè)數據單位(通常是一個(gè)字節或一個(gè)字)放到PC數據總線(xiàn)上，因為此時(shí)內存寫(xiě)總線(xiàn)也被激活，數據就被同時(shí)從總線(xiàn)上拷貝到內存中。
在DMA工作期間，主機CPU仍然可以處理其他事務(wù)，這是基于以下兩點(diǎn)：首先是現代計算機在CPU內部或是外部配備了容量較大的高速緩存(Cache）,當DMA控制器占用內存時(shí)，CPU仍可利用Cache中的程序和數據繼續運行；其次是采用周期挪用或交替訪(fǎng)問(wèn)等技術(shù)，實(shí)現了DMA控制器和CPU同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)內存。因此，采用DMA技術(shù)，既可以加快數據傳送速度，又可以減少對CPU的占用。
然而，要充分利用DMA傳輸的優(yōu)勢，就必需實(shí)現數據的“大塊傳輸”，這是因為每一次DMA的初始化，仍需要一定的額外開(kāi)銷(xiāo)，如果每次傳送的數據量過(guò)少，則這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)所占的比例就會(huì )相當大，DMA的優(yōu)勢就不純在了。這個(gè)要求在顯卡，網(wǎng)卡等設備上很容易實(shí)現，因為需要傳送的數據本來(lái)就是大塊的，但對多通道異步工作的語(yǔ)音卡來(lái)說(shuō)，就很很困難了。為此三匯研發(fā)人員重新設計了數據結構，將原來(lái)分散傳輸的數據重新按照消息隊列的方式組織起來(lái)，人為構造了“大塊數據”，從而成功地解決了這個(gè)難題。
成功應用了DMA技術(shù)之后，三匯新一代大容量數字中繼語(yǔ)音卡在性能上有了質(zhì)的飛躍，滿(mǎn)負荷時(shí)的CPU占用率成倍下降，使得應用軟件跑起來(lái)更為順暢，并且極大地提高了單機實(shí)用容量，使得原先難以用板卡實(shí)現的1000路以上的滿(mǎn)負荷錄放音運行的單機系統成為現實(shí)，并且在部分錄放音負荷的情況下，更是可以達到CTI系統的極限4096個(gè)通道。
下表是三匯SHD-120A-CT/PCI數字中繼卡（未采用DMA技術(shù)）和SHD-240D-CT/PCI數字中繼卡（采用DMA技術(shù)）在相同的配置環(huán)境下的測試結果：
| 測試條件 |
無(wú)DMA時(shí)CPU占用 |
有DMA時(shí)CPU占用 |
| 120路放音（4個(gè)E1） |
26% |
4% |
| 120路錄音（4個(gè)E1） |
47% |
6% |
| 240路放音（8個(gè)E1） |
48%
|
6% |
| 240路錄音（8個(gè)E1） |
100% |
17% |
| 480路放音（16個(gè)E1） |
95% |
17% |
| 960路放音 (32個(gè)E1） |
不能工作 |
41％ |
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