嵌入式系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實(shí)現(xiàn)

0.引言
嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和專用的應(yīng)用程序組成。嵌入式系統(tǒng)一般是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks是Wind River公司開發(fā)的一種嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它為嵌入式開發(fā)提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信等。網(wǎng)絡(luò)是VxWorks系統(tǒng)之間及其與其他系統(tǒng)聯(lián)系的主要途徑，本文討論了VxWorks網(wǎng)絡(luò)通信的有關(guān)機(jī)制，給出了VxWorks網(wǎng)絡(luò)通信在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。
1. VxWorks中的網(wǎng)絡(luò)通信原理
1.1 VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
VxWorks提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，能與許多主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。VxWorks實(shí)現(xiàn)了與BSD4.4 TCP/IP兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并且加強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最底層，VxWorks通常使用以太網(wǎng)作為傳輸媒介。在傳輸媒介上，VxWorks使用TCP/IP和UDP/IP協(xié)議作為VxWorks進(jìn)程與其他主機(jī)環(huán)境進(jìn)程之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ?。VxWorks的所有網(wǎng)絡(luò)機(jī)制都遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議。在以太網(wǎng)協(xié)議之上，VxWorks提供了以下幾種網(wǎng)絡(luò)工具：套接字（Socket）；遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Calls）；遠(yuǎn)程文件存?。≧emote File Access）；文件輸出（File Export）；遠(yuǎn)程命令執(zhí)行。
1.2 VxWorks中的Socket接口
本文網(wǎng)絡(luò)通訊接口是基于套接字（socket）來實(shí)現(xiàn)的。利用套接字，無論是單一CPU中的不同進(jìn)程，還是通過共享內(nèi)存底板，以太網(wǎng)或任何類型的網(wǎng)絡(luò)連接的進(jìn)程都可以實(shí)現(xiàn)通信。套接字是與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的UDP或TCP端口捆綁在一起的通信接口。VxWorks實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的BSD流套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。socket接口增加了網(wǎng)絡(luò)通信操作的抽象定義，與文件操作一樣，每個(gè)打開的socket都對應(yīng)一個(gè)整數(shù)，稱之為socket描述符，它是socket描述符在文件描述符表中的索引值，指向一個(gè)與該socket有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
1.3客戶/服務(wù)器編程模式
網(wǎng)絡(luò)編程一般采用客戶/服務(wù)器（Client/Server）模式。服務(wù)器端有一個(gè)或多個(gè)任務(wù)在指定的端口等待來自客戶端的連接請求，一旦連接成功，即可按約定的數(shù)據(jù)交換方法和格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。客戶端則在需要的時(shí)刻向服務(wù)端發(fā)送連接請求。在C/S編程模式下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可分為客戶端程序和服務(wù)器端程序。
客戶端程序是指發(fā)出用戶請求的程序，它需要知道服務(wù)端的地址，提供服務(wù)的端口號，服務(wù)所用的傳輸層協(xié)議類型。服務(wù)器端程序是提供服務(wù)的一方，它偵聽某個(gè)端口，等待來自客戶端的請求消息。在程序結(jié)構(gòu)上，服務(wù)端程序可使用循環(huán)模式和并發(fā)模式。循環(huán)模式是指程序結(jié)構(gòu)總體上是一個(gè)循環(huán)，一次處理一個(gè)請求。并發(fā)模式是指服務(wù)端程序可同時(shí)處理多個(gè)請求，結(jié)構(gòu)上一般采用父進(jìn)程接受請求，然后產(chǎn)生子進(jìn)程來處理請求。并發(fā)模式設(shè)計(jì)時(shí)也可采用單進(jìn)程的結(jié)構(gòu)，即使用select調(diào)用來獲得異步I/O。
2.基于socket的C/S編程模式的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
2.1嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)的子系統(tǒng)運(yùn)行于VME總線的VME處理器上。用戶通過訪問板卡驅(qū)動來控制硬件板卡，板卡驅(qū)動與硬件板卡通過VME總線完成通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)意圖如圖1所示。

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圖1：板卡驅(qū)動程序示意圖
硬件板卡主要由DSP子系統(tǒng)組成，它接收外部傳感器信息，控制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。DpRAM模塊是VME處理器和硬件板卡之間共享的雙端口RAM。板卡驅(qū)動程序的目的是提供一系列接口函數(shù)，對用戶屏蔽掉硬件板卡的硬件細(xì)節(jié)。其主要任務(wù)是分發(fā)硬件板卡命令，傳遞命令伴隨的I/O參數(shù)。板卡驅(qū)動程序運(yùn)行于VME總線的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks上。
2.2網(wǎng)絡(luò)中間件
根據(jù)上面介紹的VxWorks中的網(wǎng)絡(luò)通信原理，我們開發(fā)了一個(gè)用于分布式系統(tǒng)上的任務(wù)/進(jìn)程之間的通信模塊CX（Communication eXchange）。本文中CX公共模塊采用的是基于TCP協(xié)議的流套接字和阻塞模式，其中TCP協(xié)議是一種面向連接的通信方式，提供了有序的、無重復(fù)并且無記錄邊界的數(shù)據(jù)流服務(wù)，同時(shí)流量和擁塞控制以及傳輸數(shù)據(jù)校驗(yàn)保證了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量；阻塞模式節(jié)約資源，僅當(dāng)客戶與服務(wù)端連接時(shí)才占用計(jì)算機(jī)芯片處理時(shí)間。[!--empirenews.page--]
系統(tǒng)中CX的作用類似于網(wǎng)絡(luò)中間件，它將VxWorks中socket編程接口封裝成進(jìn)程間通信的統(tǒng)一接口，從而屏蔽掉底層的通信細(xì)節(jié)，調(diào)用者不需要具備socket通信的技能就能直接調(diào)用CX接口函數(shù)進(jìn)行通信。在實(shí)際整機(jī)系統(tǒng)中，許多不同任務(wù)駐留在不同的CPU處理器上，即使同一處理器上由于任務(wù)的進(jìn)一步劃分，子任務(wù)之間也存在進(jìn)程之間的通訊。不管通信的實(shí)體(任務(wù)/進(jìn)程)在同一CPU上，還是不同CPU上，都能夠直接以邏輯地址(CX Address) 利用CX公共通訊模塊來進(jìn)行通信，方便實(shí)現(xiàn)了整機(jī)系統(tǒng)多點(diǎn)互聯(lián)的通訊機(jī)制。CX模塊主要提供了如表1的功能：
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本文中CX公共模塊在設(shè)計(jì)過程中對以下各方面也進(jìn)行了兼顧：
1、CX傳送數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性保證：網(wǎng)絡(luò)中間件針對所有接收函數(shù)都提供有timeout的功能，這樣既避免了client掛起而接收不到回應(yīng)消息；又使得server端在接收請求消息并等待的同時(shí)可進(jìn)行一些周期性任務(wù)的處理；
2、CX的重發(fā)機(jī)制：當(dāng)一個(gè)server沒有偵聽到請求時(shí)，client可以多次向server重發(fā)請求，重發(fā)間隔時(shí)間由調(diào)用者自己設(shè)定；
3、CX支持阻塞模式：使用select機(jī)制來同步多路I/O復(fù)用。允許client從多個(gè)server等待回應(yīng)。server同樣也可以使用這樣的機(jī)制來等待請求消息，或從其它server處等待回應(yīng)消息；
4、CX的監(jiān)視機(jī)制：提供單獨(dú)的進(jìn)程來監(jiān)視host的狀態(tài)，一旦某個(gè)host不可訪問就會產(chǎn)生錯誤或警告信息。
2.3網(wǎng)絡(luò)中間件的實(shí)例
int CXc_send(const CX_serv  serv_addr,  const void *msg,  int  len, int retry_interval )
{  
int serv_num;
int result;
//檢查調(diào)用CX的任務(wù)是否已向CX注冊，CX是否在本地host上初始化
if((!CX_TaskInitialized)||(!CXs_CXisInitialized()))
{ result = CX_NOT_INITIALIZED; }
//參數(shù)檢查
else if((len <= 0)||(len>CX_MaxMsgSize))
{ result = CX_ILLEGAL_MSG_LEN; }
else
{   //將server地址轉(zhuǎn)換為server號
    result=ServAddr2Num(serv_addr, &serv_num );
if(result == OK)
    {   //發(fā)送請求消息
        result = CXclient_send( serv_num, msg, len, retry_interval );
    }
}
return result;
}
int CXclient_send( int serv_num, const void  *msg, int len, int retry_interval )
{
int result;
result = CX_CONN_RESET;
while(result == CX_CONN_RESET)
{  
//檢查cliet是否還與server保持連接，如果沒有則建立連接
    if(!CXclient_IsStillConnectedTo(serv_num))
    {   result = CXc_Connect(serv_num, retry_interval);
if(result != OK)
        { return result; }
}
    //向server發(fā)送消息
    Result = CXFD_WriteMsg(Client_Admin[serv_num].cl_write_fd, msg, len);
    //如果沒有發(fā)送成功，則返回錯誤碼，并修改client相應(yīng)的項(xiàng)目
if(result == CX_CONN_RESET)
    {  Client_Admin[serv_num].cl_is_connected = FALSE;  }
}
return result;
}[!--empirenews.page--]
2.4基于網(wǎng)絡(luò)中間件的板卡驅(qū)動程序
板卡驅(qū)動的軟件結(jié)構(gòu)采用C/S（Client/Server）模式，客戶端和服務(wù)器通過CX模塊通信。Client發(fā)送請求消息到指定的server，server從client接收請求消息，執(zhí)行請求的動作，發(fā)送一個(gè)包含請求動作執(zhí)行結(jié)果的消息給發(fā)送請求的client。消息的內(nèi)容和解釋則全由clients和servers來完成。板卡驅(qū)動的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
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圖2：板卡驅(qū)動軟件結(jié)構(gòu)示意圖
板卡驅(qū)動的外部接口函數(shù)ILDXA_xxx以庫文件的形式提供給用戶，作為請求服務(wù)的客戶端。用戶通過調(diào)用這些接口函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送請求。其中，發(fā)送請求消息的函數(shù)接口是：CXc_send(const CX_serv serv_addr, const void *msg, int len, int retry_interval)。這里每個(gè)server的地址serv_addr與邏輯主機(jī)相關(guān)，在server地址列表中給出。
請求發(fā)送成功后，客戶端調(diào)用接收返回消息的函數(shù)來接收服務(wù)端返回消息：CXc_recv(const CX_serv serv addr, void *msg, int len, int *act_len, int timeout)。
服務(wù)器端則通過一個(gè)無限循環(huán)的進(jìn)程等待來自客戶的請求消息，接收請求消息的接口函數(shù)是：CXs_recv(const CX_serv serv_addr, void *msg, int len, int *act_len, CX_repl *repl_addr, int timeout)。這里返回地址repl_addr由CX動態(tài)分配：當(dāng)server接收到一個(gè)請求消息，CX提供回復(fù)消息應(yīng)該發(fā)送的返回地址。
服務(wù)器端接收到請求消息后調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)來處理傳遞過來的命令和參數(shù)，并繼續(xù)等待下一個(gè)請求。當(dāng)命令執(zhí)行完后，外部中斷信號會中斷服務(wù)器端處理器。中斷服務(wù)程序ILDISR_command釋放信號量來同步服務(wù)器端的循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)。此任務(wù)向客戶返回一個(gè)消息，接口函數(shù)：CXs_send(CXXA_repl repl_addr, const void *msg, int len)。
3結(jié)束語
VxWorks是一種高效的多任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)是VxWorks系統(tǒng)之間以及與其他系統(tǒng)通信的主要方式。本文討論了VxWorks中網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：利用這種基于socket的面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，開發(fā)了普適于整機(jī)系統(tǒng)通訊的公共模塊-CX網(wǎng)絡(luò)中間件，具體到該嵌入式分系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與硬件板卡的實(shí)時(shí)通信，取得了良好的效果。