VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)C/S模式編程

1 引言

VxWorks 操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)()，是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。

良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。他以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

2 VxWorks的特點(diǎn)

2．1 可靠性

穩(wěn)定、可靠是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，因而他得到了越來(lái)越多的用戶的認(rèn)可。

2．2 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指能夠在限間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和做出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)衡量的。

VxWorks有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，其系統(tǒng)本身的開(kāi)銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，他們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占(Preemptive Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。

2．3 可裁減性

VxWorks由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks內(nèi)核最小為8kB，即便加上必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于他的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或做適當(dāng)開(kāi)發(fā)，來(lái)滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。

3 C／S模式網(wǎng)絡(luò)編程

網(wǎng)絡(luò)是VxWorks系統(tǒng)之間以及與系統(tǒng)聯(lián)系的主要途徑。在VxWorks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層，通常使用以太網(wǎng)作為傳輸媒介；而在傳輸媒介的上一層，則使用TCP／IP和UDP／IP協(xié)議。

VxWorks網(wǎng)絡(luò)編程中最常見(jiàn)的是C／S模式，在該模式下，服務(wù)器端有一個(gè)任務(wù)(或多個(gè)任務(wù))在指定的端口等待客戶來(lái)連接，服務(wù)程序等待客戶的連接信息，一旦連接上之后，就可以按照設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交換方法和格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；而客戶端則在需要的時(shí)候發(fā)出向服務(wù)端的連接請(qǐng)求。客戶端與服務(wù)器端的關(guān)系如圖1所示。

3．1 C／S模式網(wǎng)絡(luò)編程原理

網(wǎng)絡(luò)通信的基石是套接字，一個(gè)套接字是通信的一端。VxWorks為用戶提供了2種套接字，即流套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。流式套接字定義了一種可靠的面向連接的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)無(wú)重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)報(bào)套接字定義了一種無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證可靠，無(wú)差錯(cuò)。

五連接的服務(wù)一般都是面向事務(wù)處理的，一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)應(yīng)答就完成了客戶端與服務(wù)端之間的信息交互。無(wú)連接的套接字C／S模式程序的流程如圖2所示。

面向連接的服務(wù)比無(wú)連接的服務(wù)處理起來(lái)要復(fù)雜。面向連接的套接字C／S模式程序的流程如圖3所示。

套接字工作過(guò)程如下：服務(wù)器首先啟動(dòng)，通過(guò)調(diào)用()建立一個(gè)套接口，然后調(diào)用()將該套接口和本地網(wǎng)絡(luò)地址聯(lián)系在一起，再調(diào)用listen()使套接口做好偵聽(tīng)的準(zhǔn)備，并規(guī)定他的請(qǐng)求隊(duì)列的長(zhǎng)度，之后就調(diào)用accept()來(lái)接收連接?？蛻粼诮⑻捉涌诤缶涂烧{(diào)用connect()和服務(wù)器建立連接。連接一旦建立，客戶機(jī)和服務(wù)器之間就可以通過(guò)調(diào)用recv()／recvfrom()和send()／sendto()來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。最后，待數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，雙方調(diào)用()關(guān)閉套接口。

3．2 編程實(shí)例

下面給出一個(gè)面向連接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)通信的工程應(yīng)用的實(shí)例。該實(shí)例應(yīng)用于作者所在的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試項(xiàng)目中。他由兩部分組成，服務(wù)器在VxWorks操作系統(tǒng)下運(yùn)行，客戶機(jī)在Windows下運(yùn)行。

3．2．1 服務(wù)端的程序設(shè)計(jì)

服務(wù)端的程序設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上可以使用兩種基本模式：循環(huán)模式和并發(fā)模式。

循環(huán)模式 服務(wù)端進(jìn)程在總體上是一個(gè)循環(huán)，一次處理一個(gè)請(qǐng)求。在有很多客戶端請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求放人隊(duì)列，依次等待處理。如果某個(gè)請(qǐng)求的處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致隊(duì)列滿而不能接受新的請(qǐng)求。

并發(fā)模式 服務(wù)端進(jìn)程可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求，結(jié)構(gòu)上一般采用父進(jìn)程接受請(qǐng)求，然后調(diào)用fork產(chǎn)生子進(jìn)程，由于進(jìn)程處理請(qǐng)求。該模式的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求，客戶端等待時(shí)間短。

由于是面向連接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，所以實(shí)例中采用了循環(huán)模式。

(1)建立自己的套接口

sHost=(AF_INET，SOCK_STREAM，0)

該函數(shù)建立指定通信域、數(shù)據(jù)類型和協(xié)議下的套接口，通信域?yàn)锳F_INET(惟一支持的格式)，數(shù)據(jù)類型SOCK-STREAM表示建立流式套接口，第3個(gè)參數(shù)為0，即協(xié)議缺省。

(2)綁定本地地址

(sHost，(struct sockaddr * )&serverAddr，sizeof(serverAddr))

該函數(shù)將服務(wù)器地址與sHost綁定在一起，其中，serverAddr是sockaddr_in結(jié)構(gòu)，其成員描述了本地端口號(hào)和本地主機(jī)地址，經(jīng)過(guò)()將服務(wù)器進(jìn)程在網(wǎng)上標(biāo)識(shí)出來(lái)。

(3)開(kāi)始偵聽(tīng)

listen(sHost，2)

該函數(shù)表示連接請(qǐng)求隊(duì)列長(zhǎng)度為2，即允許有2個(gè)請(qǐng)求，若多于2個(gè)請(qǐng)求，則出現(xiàn)錯(cuò)誤，給出錯(cuò)誤代碼WSAECONNREFUSED。

(4)等待接收連接

snew=accept(sHost，(struct sockaddr*)&clientAddr，sizeof(clientAddr)))

該函數(shù)阻塞等待請(qǐng)求隊(duì)列中的請(qǐng)求，一旦有連接請(qǐng)求來(lái)，該函數(shù)就建立一個(gè)和sHost有相同屬性的新的套接口。clientAddr也是一個(gè)sockaddr_in結(jié)構(gòu)，連接建立時(shí)填入請(qǐng)求連接的客戶端的地址。

(5)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)

recv(snew，recvbuffer，buflen，0)

send(snew，sendbuffer，buflen，0)

recv()和send()分別負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，recv()從snew(建立連接的套接口)接收數(shù)據(jù)，放人recvbuffer中，send()則將sendbuffer中數(shù)據(jù)發(fā)送給snew，第4個(gè)參數(shù)，表示該函數(shù)調(diào)用方式，通常用于診斷程序或路由選擇程序，可選擇MSG-DONTROUTE和MSG-OOB，MSG-WAITALL，MSG_DONTWAIT，0表示缺省。

(6)關(guān)閉套接口

(sHost)

(snew)

3．2．2 客戶端程序設(shè)計(jì)

所謂客戶端程序，指用來(lái)向服務(wù)端發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求的程序?？蛻舳诵枰婪?wù)端的地址、服務(wù)所提供的端口號(hào)以及服務(wù)所使用的傳輸層協(xié)議：TCP還是UDP。

該實(shí)例基于面向連接的TCP協(xié)議。

(1)調(diào)用WSAStartup()函數(shù)初始化WindowsSockets DLL

Status = WSAStartup (VersionReqd，lpmyWSAData)

(2)創(chuàng)建一個(gè)通信域?yàn)镮nternet、SOCK_STREAM類型、使用TCP協(xié)議的套接字

sClient = (AF_INET， SOCK_STREAM，IPPROTO_TCP)

(3)設(shè)置與套接字sClient相關(guān)的屬性選項(xiàng)

int sockopt＝1

setsockopt (sClient，IPPROTO_TCP，SO_KEEPALIVE，(char *)&sockopt，sizeof(int))

setsockopt()函數(shù)用于任意類型、任意狀態(tài)套接口的設(shè)置選項(xiàng)值。在不同協(xié)議層上存在選項(xiàng)，但往往是在最高的套接口層次上，設(shè)置選項(xiàng)影響套接口的操作，諸如操作的阻塞與否、包的選徑方式、帶外數(shù)據(jù)的傳送等。該實(shí)例中打開(kāi)了SO_KEEPALIVE選項(xiàng)，使得套接字sClient實(shí)現(xiàn)在TCP連接情況下允許使用保持活動(dòng)包。

(4)在套接字sClient上向服務(wù)器建立一個(gè)連接

connect (sClient，(struct sockaddr *)&serverAddr，sizeof(serverAddr))

該函數(shù)讓系統(tǒng)知道寫(xiě)到sClient的數(shù)據(jù)將發(fā)往何地，而且只有該地址發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)才被sClient接收。其中，serverAddr是sockaddr_in結(jié)構(gòu)，其成員描述了服務(wù)器的地址族，提供的端口號(hào)以及服務(wù)器地址，如下，

serverAddr．Sin_family=AF_INET

serverAddr．sin_addr．s_addr=inet_addr(ServerAddress)

serverAddr．sin_port＝htons(Port)

其中：ServerAddress和Port通過(guò)參數(shù)傳人。

(5)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)

recv (sClient，recvbuffer，buflen，0)

send (sClient，sendbuffer，buflen，0)

(6)關(guān)閉套接口

Close (sClient)

4 結(jié) 語(yǔ)

VxWorks操作系統(tǒng)是目前在國(guó)內(nèi)外風(fēng)行的嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)編程又是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)核心之一。本文作者介紹了基于TCP的面向連接的C／S模式的編程方法。該方法已經(jīng)在NA3100網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀中得到了良好而有效的應(yīng)用。

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