基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)復(fù)合通信模式

 摘要：在嵌入式系統(tǒng)與VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用愈加廣泛的背景下，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)對(duì)于各類實(shí)時(shí)通信方式的不同需要，提出基于控制應(yīng)用的復(fù)合通信模式；以Radstone公司的PPCx系列單板機(jī)為例，給出實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)數(shù)據(jù)通信的產(chǎn)時(shí)性與安全性作了研究。片對(duì)于各類嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)驗(yàn)具有很大的參考價(jià)值。

    關(guān)鍵詞：VxWorks 嵌入式系統(tǒng) 實(shí)時(shí)性 數(shù)據(jù)通信

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，嵌入式操作系統(tǒng)以其速率高、穩(wěn)定、可配置內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)正得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)必須采用特殊有效的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks正是一個(gè)具有高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，成為嵌入式系統(tǒng)操作內(nèi)核的最佳選擇之一。隨著嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的應(yīng)用不斷加強(qiáng)，具有多種數(shù)據(jù)通道的復(fù)合通信模式顯得列為必要。本文根據(jù)基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)通信的不同要求，提出一個(gè)嵌入式系統(tǒng)復(fù)合通信模型，研究幾種具有代表性的數(shù)據(jù)通信方式，并論述在VxWorks下的實(shí)現(xiàn)方法及其一些關(guān)鍵技術(shù)。

1 嵌入式系統(tǒng)復(fù)合通信模型的設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，例如在工業(yè)控制當(dāng)中常常利用嵌入式系統(tǒng)作為中央控制機(jī)，完成信息采集、分系統(tǒng)監(jiān)管、系統(tǒng)決策等等重要功能。硬件往往離不開軟件的支持。VxWorks操作系統(tǒng)是目前功能最全的、獨(dú)立于處理器的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一?？紤]如何基于VxWorks實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)合通信方式是有意義的。由于此時(shí)嵌放式系統(tǒng)已經(jīng)不再是孤立系統(tǒng)，而是處于某種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，因此，有必采取復(fù)合通信模式以適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)展、集中控制和遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)男枰？刂茩C(jī)應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)良的系統(tǒng)總線、可靠的控制網(wǎng)絡(luò)、高速傳輸通道接口以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管道。綜合以上考慮，圖1給出了一個(gè)控制機(jī)的復(fù)合通信模型。

控制機(jī)本身采用VME總線標(biāo)準(zhǔn)，可以嵌入多塊單板機(jī)，具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。為了適應(yīng)不同的通信要求，外圍有三種通信接口。其中光纖通信傳輸速率很高，適合作為大流量數(shù)據(jù)通道，例如信號(hào)處理機(jī)數(shù)據(jù)傳輸管道。串口通信設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，傳輸速率適中且安全性高，可以作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通道。以太網(wǎng)則由于其極佳的增容性、穩(wěn)定性，適合于局域網(wǎng)絡(luò)控制體系。

2 復(fù)合通信模式特點(diǎn)分析

為了對(duì)以上復(fù)合通信模型加以說明，下面對(duì)片幾種通信模式的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（1）總線標(biāo)準(zhǔn)

目前常用的總線標(biāo)準(zhǔn)有多種，基中VME總線支持多處理器系統(tǒng)，最多可以容納21塊插件。地址總線32位，數(shù)據(jù)總線32位，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到80Mb/s。VME總線能處理7級(jí)中斷，具備高速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。VME總線采用主-從結(jié)構(gòu)，主功能模塊傳輸數(shù)據(jù)之間必須先使用中央仲裁器，也稱為系統(tǒng)控制器，具有總線仲裁功能。VME數(shù)據(jù)傳輸總線是高速異步并行的，模塊間數(shù)據(jù)傳輸是通過連鎖的握手信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。具有高可靠性，同時(shí)其模板結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性，適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境[1]。

（2）控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)一般采用局域網(wǎng)。由于TCP/IP協(xié)議是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是比較完善的、公認(rèn)的最有效的互聯(lián)協(xié)議，因此目前流行的操作系統(tǒng)都支持TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議還是個(gè)穩(wěn)定的、對(duì)稱的、支持交叉平臺(tái)的Client/Server方式的結(jié)構(gòu)，并為應(yīng)用程序提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，對(duì)于集中控制的嵌入式系統(tǒng)采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信無疑是方便而且有效的。

    （3）高速數(shù)據(jù)接口

目前來看，光纖通道作為高速數(shù)據(jù)通信是最為有利的。它是一種利用光纖（苦口婆心銅纜）作為物理鏈路的高性能串行數(shù)據(jù)接口，支持SCSI、IP等上層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有可靠性高、速度快和傳輸距離的特點(diǎn)，可用來連接大型機(jī)、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)高速大容量的信息傳輸。對(duì)于分離的嵌入式硬件系統(tǒng)而言，采用光纖通道作為高速I/O數(shù)據(jù)接口無疑是一種很好的選擇。

（4）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通道

由于控制機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸需要較高的安全性，同時(shí)一般只需單路傳輸，如果使用光纖電纜顯示成本高而且不需要那么高傳輸?shù)膸?，因此可以考慮使用串行口通信。串行口在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口。由于RS-422標(biāo)準(zhǔn)串行口通信采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到10Mb/s，這對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換具有極大的優(yōu)勢(shì)，因此可用于遠(yuǎn)程信息交換。

3 復(fù)合通信方式的實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

由于本文的討論與單板機(jī)生產(chǎn)商所提供的板級(jí)支持包有關(guān)，而不同類型的單板機(jī)所提供的板級(jí)支持包（BSP、ESP）也會(huì)略有不同，為了不失一般性同時(shí)具有一定先進(jìn)性，本文采用英國(guó)Radstone公司生產(chǎn)的PPCx系列單板機(jī)作示例。PPCx系列單板機(jī)功能集成度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，可以添加多種外圍存儲(chǔ)設(shè)備、支持高分辨顯示，是一種理想的單板機(jī)系統(tǒng)。

3.1 基于VME總線的DMA通信方式

在VME總線上，每個(gè)單板機(jī)如果要訪問其它單板機(jī)的RAM，必須通信VME總線地址映射。因此，每塊板上有兩個(gè)地址譯碼器，一個(gè)用于VME總線地址→本地地址譯碼，而另一個(gè)用于本地地址→VME總線地址譯碼，這樣就會(huì)存在多個(gè)不同的存儲(chǔ)器地址映射。如果想要訪問某個(gè)單板機(jī)的RAM，需要知道該單板機(jī)的RAM本地址所映射成的VME總線地址，然后通過訪問VME總線地址映射到自身的本地地址而訪問到系統(tǒng)控制器，甚至可以將其看成自身的RAM地址。多處理器地址映射關(guān)系如圖2所示。

綜上所述，對(duì)于某一VME總線中的任務(wù)一塊板而言，只要獲得了它的本地地址到VME總線地址的映射關(guān)系，就可以從板外來訪問該板的RAM。VxWorks標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)sysLib當(dāng)中提供了函數(shù)sysLocaltoBusAddr()，可以直接獲得本地地址的VME總線地址。這樣，當(dāng)前主機(jī)只需調(diào)用該函數(shù)獲得自身RAM地址到VME地址映射，其它的主機(jī)就可以根據(jù)該映射得到的VME總線地址訪問該主機(jī)。因此，當(dāng)需要對(duì)于外板的某些控制寄存器進(jìn)行位元操作的進(jìn)修，這種方法就顯得尤其重要：因?yàn)橥鶝]有函數(shù)能夠僅僅對(duì)于外板RAM的某個(gè)字節(jié)進(jìn)行操作，更無法定位到位操作。

為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可使用PPC4A上的VME控制芯片Tundra中集成的DMA控制器。它支持基于VME總線的DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，而DMA是外存數(shù)據(jù)傳輸最有效的一種方式。具體步驟如下：

①安裝DMA驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用函數(shù)dmaDrv（）；

②建立DMA設(shè)備，調(diào)用函數(shù)dmaDevCreate()；

③打開DMA進(jìn)行讀寫，調(diào)用函數(shù)open()、write（）、read()。

DMA設(shè)備句柄就是一個(gè)類似于文件指針的數(shù)據(jù)類型，所以可以像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)操作來對(duì)待。開啟設(shè)備后即可調(diào)用文件讀寫標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行讀寫操作。通過較為嚴(yán)格的測(cè)試，DMA數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到40Mb/s以上，并且不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

為了保證主機(jī)對(duì)于其它主機(jī)DMA傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生VME總線中斷信號(hào)通知該主機(jī)。當(dāng)某個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，須調(diào)用VxWorks提供的函數(shù)sysBusIntGen （）t向VME總線產(chǎn)生一個(gè)級(jí)別為intLevel、中斷號(hào)為intNum的中斷信號(hào)。

接收端主機(jī)事先建立一個(gè)與該級(jí)別中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的客戶中斷服務(wù)程序，并將該客戶中斷服務(wù)程序鏈接到所要求級(jí)別的中斷號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。當(dāng)主機(jī)接收到屬于自己的中斷信號(hào)后，會(huì)立刻自動(dòng)調(diào)用該中斷服務(wù)程序。這時(shí)可利用中斷服務(wù)程序釋放一個(gè)信號(hào)燈，通過該信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作。如下面的全程：

/*客戶中斷服務(wù)程序*/

void intHdlr(SEM_ID semId)

void intHdlr(SEM_ID semId)

{

/*釋放信號(hào)燈*/

semGive(semId);

}

/*等待信號(hào)燈的處理模塊*/

void processsModle(void)

{

/*等待信號(hào)燈*/

semTake(semld)；

/*處理模塊代碼*/

…

}

VME總線共有7個(gè)中斷級(jí)別，排除系統(tǒng)使用的中斷號(hào)，客戶自定義中斷號(hào)可從18設(shè)置到32。這樣能夠?yàn)樽銐蚨嗟闹鳈C(jī)設(shè)置中斷服務(wù)程序，從而實(shí)現(xiàn)VxWorks操作系統(tǒng)下的多主機(jī)VME總線實(shí)時(shí)高速通信。

3.2 串行口通信

在VxWorks中，將I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為任何類型的設(shè)備提供一個(gè)簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、獨(dú)立于設(shè)備的接口，所以串行口通信軟件的設(shè)計(jì)和VME通信具有相似之處。在VxWorks中，任何對(duì)于串行口的操作仍然可以視為對(duì)一個(gè)文件的操作，而不必了解關(guān)于設(shè)備或程序驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。在串行口通信軟件的設(shè)計(jì)不中，利用RRCx的增強(qiáng)軟件包ESP可對(duì)驅(qū)動(dòng)成功后的串行口設(shè)備進(jìn)行操作。系統(tǒng)首先調(diào)用ESP軟件提供的esccDrv()安裝串行驅(qū)動(dòng)程序，隨后調(diào)用esccDevCreate（）將指定的串口設(shè)備添加到系統(tǒng)中，當(dāng)串口初始化完成后，與DMA操作方式類似，在使用之前利用open()打開相應(yīng)串口，依據(jù)串口打開時(shí)的讀寫標(biāo)志，調(diào)用函數(shù)write()、read()對(duì)串口進(jìn)行只讀操作、只寫操作或同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。

對(duì)于串口通信，仍然要關(guān)心數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性?？刹捎弥袛喾绞?，利用VxWorks提供的select函數(shù)的事件觸發(fā)機(jī)制，將讀串口的任務(wù)阻塞使其一直等待數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到的時(shí)候該任務(wù)會(huì)立刻自動(dòng)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.3 基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信一般可通過套接口（socket）實(shí)現(xiàn)。VxWorks提供了標(biāo)準(zhǔn)的BSD socket調(diào)用，具有兩種類型：Stream socket（全雙工流類型）、Datagram sockets（數(shù)據(jù)攝類型）。前者支持TCP協(xié)議，后者支持UDP協(xié)議。任何一個(gè)任務(wù)都可以打開一或多個(gè)socket，其它任務(wù)的socket可與之連接?？蛻舳顺绦蚴紫日{(diào)用socket()個(gè)函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接口，并為每個(gè)套接口返回一個(gè)ID號(hào)，然后初始化一個(gè)套接口結(jié)構(gòu)體，為其賦上該ID號(hào)以及服務(wù)端的IP地址和端口號(hào)，并將具作為函數(shù)connect（）的參數(shù)，調(diào)用connect()函數(shù)主動(dòng)去連接客戶端。服務(wù)端則需調(diào)用bind（）函數(shù)將自身IP和端口號(hào)綁定，以保證客戶端正確識(shí)別。為了確保服務(wù)器能夠?qū)崟r(shí)接收客戶端的數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)端與客戶端建立連接之后，必須嵌入循環(huán)，利用read()語(yǔ)句不斷等待客戶數(shù)據(jù)。同時(shí)客戶端每次發(fā)送數(shù)據(jù)之后也應(yīng)等待服務(wù)端回復(fù)，建立握手機(jī)制。一個(gè)完整的socket網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該可以用圖3來描述。值得指出的是，read調(diào)用具有一個(gè)PEEK選項(xiàng)，即向接收緩沖區(qū)探測(cè)是否有數(shù)據(jù)而并不真正取出數(shù)據(jù)，根據(jù)它的返回值可以判斷出網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。這個(gè)功能適用于網(wǎng)絡(luò)查錯(cuò)。

3.4 光纖通道

由于光纖通道（fibre channel）接口并非VxWorks自身具備的組件，因此，VxWorks內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)光纖通信也需要加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序；同時(shí)，主機(jī)也需安裝光纖通信適配器，然后通過光纖電纜連接。下面仍以PPCx系列單板機(jī)為例來說明。

這里采用QLA2200作為光纖通道適栩器。QLA2200/66是Qlogic公司生產(chǎn)的、目前應(yīng)用最為廣泛的光纖通道適配器。它主要包括四個(gè)功能模塊：高速RISC處理器，包括千兆位收發(fā)模塊、通道控制、幀緩存等的FC接口，有三個(gè)通道PCI總線DMA控制器以及ISP2200A的外存儲(chǔ)器。RRCx的ESP為該適配器QLA2200提供了驅(qū)動(dòng)程序，支持基于交換機(jī)、仲裁環(huán)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SCSI、IP和低開銷訪問（LLA）協(xié)議，其固件協(xié)議層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

當(dāng)VxWorks啟動(dòng)之后，需要調(diào)用QLA2200的初始化函數(shù)ql22Init()，該函數(shù)的功能是驅(qū)動(dòng)PPCx主板上QLA2200的PCI板卡，包括SCSI、IP固件協(xié)議初始化。此時(shí)，可在光纖通道上建立基于SCSI或IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信模式；而LLA實(shí)際上一種不具備協(xié)議管理的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，可節(jié)約大量系統(tǒng)開銷，故稱之為低開銷方式。它可以建立一種類似于服務(wù)器/客戶機(jī)的通信機(jī)制，即服務(wù)端可以實(shí)時(shí)響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，但它同樣缺乏握手安全機(jī)制。因此，如果客戶端連續(xù)發(fā)送兩次大批量數(shù)據(jù)，將會(huì)由于服務(wù)器來不及接收導(dǎo)致該兩批數(shù)據(jù)首尾發(fā)生沖突，故需加以改進(jìn)。LLA的服務(wù)器/客戶機(jī)通信機(jī)制是通過調(diào)用函數(shù)ql22laHookAttach（）在服務(wù)端設(shè)備一個(gè)掛鉤函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，該掛鉤函數(shù)將會(huì)立刻自動(dòng)響應(yīng)，因此，可以在掛鉤函數(shù)當(dāng)設(shè)置VxWorks消息隊(duì)列，將接收幀緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)取出。如下面的程序：

BOOL ql22LlaClientInputHook（）

{…

/*將緩存區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端本地消息隊(duì)列當(dāng)中去*/

msgQsend(ServerQueue,ClientData,Length,NO_WAIT,0)；

}

采用消息隊(duì)列接收數(shù)據(jù)則是由于它具有消息自動(dòng)追加功能，可以保證數(shù)據(jù)在高速拷貝時(shí)不被覆蓋。當(dāng)傳輸完畢后，服務(wù)端就可以將消息隊(duì)列當(dāng)中的數(shù)據(jù)取出來進(jìn)一步處理?？蛻舳藙t應(yīng)當(dāng)在每次發(fā)送數(shù)據(jù)完畢之后等待服務(wù)端的回答，首到得到確認(rèn)之后才可以進(jìn)行下一步發(fā)送。因此，客戶端必須設(shè)備回復(fù)等待，這可以利用信號(hào)燈來實(shí)現(xiàn)。LLA具有很高的傳輸速率。根據(jù)測(cè)試，在實(shí)施了握手通信機(jī)制后，傳輸速率可達(dá)50Mb/s以上，而且實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開銷很小，適應(yīng)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主機(jī)高速通信。

4 結(jié)論

本嵌入式系統(tǒng)復(fù)合通信模式具有多種通信接口，可適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)通信需要。同時(shí)，由于VxWorks高效的實(shí)時(shí)性以及強(qiáng)大的兼容性，使得復(fù)合通信的實(shí)現(xiàn)變得更加容易并且具有良好的實(shí)時(shí)性和安全性。通過實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊運(yùn)行穩(wěn)定，軟件的模塊實(shí)時(shí)調(diào)度表示良好，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)通信阻塞。該復(fù)合通信模式可適用于工業(yè)控制、醫(yī)療等多方面，具有廣泛的適應(yīng)性。