淺析嵌入式中通訊協(xié)議設(shè)計(jì)的規(guī)律

公司里做項(xiàng)目，嵌入式系統(tǒng)大大小小，到處都是。因?yàn)槎际且粋€系統(tǒng)里的，所以都需要通訊，既然通訊就涉及到協(xié)議問題。

談及協(xié)議，很多工程師覺得協(xié)議的設(shè)計(jì)相對簡單，主要是報(bào)文的設(shè)計(jì)。大多數(shù)時(shí)候，協(xié)議的應(yīng)用場景簡單，沒有復(fù)雜的交互。這么做的確也是沒什么太大的問題。然而，就是這么簡單的場景，仍有一些協(xié)議會在實(shí)際中發(fā)生意想不到的問題。歸根結(jié)蒂，還是沒有把握協(xié)議涉及的規(guī)律。下面我們簡單的聊聊協(xié)議設(shè)計(jì)的規(guī)律。

協(xié)議設(shè)計(jì)中面臨的問題：

1.設(shè)計(jì)者大多數(shù)情況下，從應(yīng)用出發(fā)，僅僅考慮了基本需求的滿足，沒有考慮擴(kuò)展需求的滿足;

2.從osi七層理論上，我們往往設(shè)計(jì)的協(xié)議時(shí)站在比較高層的角度去設(shè)計(jì)，往往忽視了RS485/RS232, I2C, CAN, ETHERNET等物理層承載特點(diǎn)，設(shè)計(jì)缺乏對具體應(yīng)用的針對性，導(dǎo)致潛在問題的產(chǎn)生;

3.容錯和效率的考慮不足。

基本需求肯定是完成系統(tǒng)的基本功能。然而可能因?yàn)樾枨蠖x的不完整，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員沒有前瞻性;協(xié)議中沒有定義版本號，沒有對協(xié)議兼容性的測試，導(dǎo)致老產(chǎn)品和新產(chǎn)品協(xié)議不兼容，而又無法采用簡單的軟件辦法解決。這是個常見問題，最簡單的辦法是在握手協(xié)議中增加協(xié)議的版本號，用以判斷是否對該協(xié)議支持以及為后續(xù)的軟件做兼容準(zhǔn)備。協(xié)議看似好像只有報(bào)文設(shè)計(jì)，就像一個人一樣，他在父母的眼里永遠(yuǎn)是個孩子，在自己的孩子面前是父母，在朋友面前是朋友。我相信所有這些側(cè)面合起來才是一個完整的人。UML 從不同的角度去觀察系統(tǒng)會得到不同的圖。協(xié)議也是如此，協(xié)議的報(bào)文只是協(xié)議靜態(tài)特性的一個方面，協(xié)議還有更重要的動態(tài)特性。如出錯后怎么辦，重發(fā)?重發(fā)幾次?節(jié)點(diǎn)損壞如何從網(wǎng)絡(luò)中剔除?怎么樣才是一個完整的通訊過程?持續(xù)的時(shí)間是多少?最壞情況下是怎么樣的?最好的情況下是什么樣的?誰發(fā)起通訊?重要的協(xié)議可能要保證非?？煽?，如何確定接受者接收的完全正確，并且可靠執(zhí)行?往往這些問題已經(jīng)超出了對報(bào)文自身的考慮，而是對系統(tǒng)解決方法的一種設(shè)計(jì)。這里有個小例子，一個RS485的半工通訊，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，希望從機(jī)可靠保存該數(shù)據(jù);從機(jī)接收到該數(shù)據(jù)驗(yàn)證完畢后，寫入自身的存儲裝置，然后再回應(yīng)主機(jī)，寫入成功或者失敗。但這里有個問題，rs485是個主/從結(jié)構(gòu)，無法同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，只能由主機(jī)點(diǎn)名從機(jī)回應(yīng)。如果寫入時(shí)間過長，從機(jī)回應(yīng)報(bào)文的時(shí)間也必定過長;如果從機(jī)很多的話，這個時(shí)間就經(jīng)不起浪費(fèi)了?？赡苄薷臑?，從機(jī)收到主機(jī)的信息后，立即應(yīng)答收到。主機(jī)再分發(fā)其他從機(jī)的數(shù)據(jù)，分發(fā)完畢后，再由主機(jī)采用查詢協(xié)議查詢從機(jī)寫入的成功與否。 當(dāng)然，也可以采用一些系統(tǒng)級的辦法，只要從機(jī)收到數(shù)據(jù)后，從機(jī)一定保證數(shù)據(jù)寫入成功，那么這個問題也變得簡單了。主機(jī)也不用再查詢寫入是否成功了。軟件的設(shè)計(jì)也就相對簡單很多。

RS485/RS232也有雙工通訊，但在實(shí)際中用得少。這里除了省線材之外，恐怕最重要的是因?yàn)镽S485/RS232不帶沖突檢測，要么采用大家輪樁做主機(jī)，要么一個主機(jī)，點(diǎn)名讓大家發(fā)言的辦法。所以，通訊采用一問一答的方法比較多，這比較符合半工的工作狀態(tài)。當(dāng)然不排除一些雙工的應(yīng)用場景。實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)還是采用半工的辦法。這里協(xié)議的設(shè)計(jì)主要考慮單點(diǎn)較多;多播和單播，因?yàn)椴荒艽_定從機(jī)是否接收成功，所以重要的協(xié)議在多播和廣播之后還要查詢，這個是很麻煩的事情。軟件過程因此而復(fù)雜很多。RS485/RS232的通訊有自己的檢測錯誤的辦法，比如說奇偶校驗(yàn)，奇偶校驗(yàn)是一種簡單的錯誤校驗(yàn)，并不能100%的擋住錯誤;對于可靠地協(xié)議，可能還是要設(shè)計(jì)自己的CRC或者校驗(yàn)和等方法。但CRC校驗(yàn)雖然可以用查表的辦法，但計(jì)算時(shí)間比奇偶校驗(yàn)和校驗(yàn)和等方法計(jì)算量還是過大了些。在一些實(shí)時(shí)性和低端應(yīng)用場合，可能時(shí)間開銷大了些。所以，如果報(bào)文不是過大，還是可以考慮奇偶校驗(yàn)和校驗(yàn)和;如果過大，先考慮crc8，再考慮crc16和crc32，不要一竿子切。

I2C的通訊一般只用于板級，但現(xiàn)在也有用于現(xiàn)場總線的趨勢。I2C設(shè)計(jì)之初是支持多主多從，兩個主機(jī)可以同時(shí)發(fā)送信息，仲裁獲勝的主機(jī)獲得總線，繼續(xù)發(fā)送。有仲裁不代表可以同時(shí)雙向發(fā)送信息，即主機(jī)和從機(jī)的地位還是不同的，主機(jī)點(diǎn)名從機(jī)回應(yīng)信息;雖然現(xiàn)在的CPU所帶的I2C硬件同時(shí)支持主模式和從模式，但在同一時(shí)刻，這兩個模式是不相容的。對于一個節(jié)點(diǎn)要么是主要么是從，而每次通訊都是由主發(fā)起，從被動接收，這就導(dǎo)致了和rs232無本質(zhì)的區(qū)別。且，I2C的物理層協(xié)議也決定了，其通訊方式也沒有rs232靈活，只能工作在半工狀態(tài)。兩個CPU傳遞一些簡單的信息，在CPU無多余的rs232情況下，還是非常有用得。由于是板級的通訊，信號的完整性保證了以后，基本上不可能存在錯誤，也不需要額外的校驗(yàn)方法了。

Ethernet和CAN總線類似，所有節(jié)點(diǎn)對等，無主從之說，誰都可以發(fā)起信息。由于沖突的檢測，使得仲裁失敗的節(jié)點(diǎn)稍后重試，物理層完成，不需要軟件參與，因而給協(xié)議設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。比如說，先前的那個問題，一個廣播協(xié)議出去，不再像 Rs232/rs485那樣，再去一一查詢確認(rèn)。有問題的設(shè)備直接上報(bào)問題就好。大大的簡便了問題的處理。RS232/RS485的節(jié)點(diǎn)如果發(fā)生問題，需要上報(bào)，也只能等到主機(jī)點(diǎn)名時(shí)才能有機(jī)會上報(bào)。Ethernet/Can就不用了，發(fā)生問題后，直接主動上傳。可以確保問題和緊急情況的及時(shí)處理。如果Ethernet是基于TCP的協(xié)議，效率低了，但卻保證了很多特性，數(shù)據(jù)的順序到達(dá)，可靠性等等。IP 層以下的協(xié)議有很大的問題就是不能保證數(shù)據(jù)的順序到達(dá)，多個路徑的長短會影響協(xié)議到達(dá)的順序，有些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了效率，采用UDP或者M(jìn)AC層直接通訊。那么最好還是采用較為保守的策略，防止協(xié)議報(bào)文先后到達(dá)產(chǎn)生不必要的錯誤。Ethernet物理層 帶有CRC32校驗(yàn)，自己再做校驗(yàn)實(shí)在沒必要。

協(xié)議的效率是個較復(fù)雜的話題，以RS232為例，RS232如果1個起始位置，1個停止位置，沒有奇偶校驗(yàn)。那么發(fā)送一個字節(jié)需要10Bit，對于9600bps的波特率，1秒鐘最多傳輸960個字節(jié)。大約是1ms一個字節(jié)。如果停止位加長，協(xié)議一次性運(yùn)送的有用的字節(jié)數(shù)還要更低。除去必要的幀頭，幀尾，地址，校驗(yàn)信息，真正有用得信息除以總的總線上運(yùn)送的字節(jié)數(shù)，就是協(xié)議的帶載能力。很顯然，如果我用多播和廣播，明顯地提高效率。對于RS232這種，廣播也許并不是個好的選擇，尤其是回頭確認(rèn)一遍。也許提高波特率是個不錯的主意。這隨之而來的問題是，1Mbps的通訊系統(tǒng)，1Start,1stop, non-parity, 1個字節(jié)只需要10us，這么快的中斷不是普通的CPU能承受的。所以，可能需要DMA來接收。DMA 接收的話，就牽涉到變長的協(xié)議和定長的協(xié)議。變長的協(xié)議要動態(tài)的判斷是否收到一個完整的包，而定長的協(xié)議，對于高速的RS232有無可比擬的優(yōu)勢。大大降低計(jì)算的復(fù)雜度。定長的協(xié)議就牽涉到協(xié)議的長度。我們一般把最頻繁出現(xiàn)的協(xié)議的長度作為全部協(xié)議報(bào)文的長度。對于超長的協(xié)議，由于使用次數(shù)不多，拆成多條定長協(xié)議吧報(bào)文完成。比如說，我們的系統(tǒng)控制命令長度為所有協(xié)議的長度，因?yàn)?0%的協(xié)議報(bào)文都是系統(tǒng)控制命令。而20%的報(bào)文是其他出現(xiàn)頻率較低的報(bào)文，如系統(tǒng)固件升級報(bào)文，本身固件的大小就很大，就算超長的報(bào)文也不可能容納?？吵膳c控制命令報(bào)文等同的長度?？此票容^零散，每包卻都有各自獨(dú)立性。都可以做單獨(dú)的報(bào)文發(fā)送，前后的耦合性降到最低，也就是說，雖然大協(xié)議被拆分成小的等長協(xié)議報(bào)文，每個等長報(bào)文在發(fā)送過程中出錯，可以單獨(dú)再發(fā)送，整個通信序列無需重置。通過合理的設(shè)計(jì)，協(xié)議的效率自然而然的就被提升了。

Ethernet的設(shè)計(jì)相對寬松，其底層太強(qiáng)大了。很多工作都做了，所以，等長不等長對Ethernet系統(tǒng)無所謂。關(guān)鍵要解決Ethernet的通信模型問題。如果是嵌入式服務(wù)器，TCP 保持半開鏈接不能太耗費(fèi)資源。如果是UDP或者mac層的協(xié)議，需要對協(xié)議序列的先后到達(dá)順序進(jìn)行解耦，防止出現(xiàn)不必要的問題。如果一個大協(xié)議包，需要拆成三個包發(fā)送，三個包順序任意無影響;任意包發(fā)生錯誤，只需要將錯誤包重發(fā)成功即可。Ethernet由于速度高，協(xié)議帶載能力可以得到很好的補(bǔ)充。另外，由于Ethernet是一個完美支持多播和廣播的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際中使用廣播太多造成了廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，所以現(xiàn)在分了虛擬局域網(wǎng)，就是為了抑制廣播風(fēng)暴，提高效率。實(shí)際使用中還是要盡量的合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，避免過多的廣播協(xié)議的使用，以免拖慢整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。