嵌入式系統(tǒng)中網絡通信模塊的實現(xiàn)

0.引言
嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)和專用的應用程序組成。嵌入式系統(tǒng)一般是實時控制系統(tǒng)，其關鍵是嵌入式實時操作系統(tǒng)。VxWorks是Wind River公司開發(fā)的一種嵌入式強實時操作系統(tǒng)。它為嵌入式開發(fā)提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時的任務間通信等。網絡是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網絡通信的有關機制，給出了VxWorks網絡通信在一個嵌入式系統(tǒng)中的應用實例。
1. VxWorks中的網絡通信原理
1.1 VxWorks的網絡協(xié)議
VxWorks提供了強大的網絡功能，能與許多主機系統(tǒng)進行通信。VxWorks實現(xiàn)了與BSD4.4 TCP/IP兼容的網絡協(xié)議棧，并且加強了實時性。在網絡結構最底層，VxWorks通常使用以太網作為傳輸媒介。在傳輸媒介上，VxWorks使用TCP/IP和UDP/IP協(xié)議作為VxWorks進程與其他主機環(huán)境進程之間數據傳輸的工具。VxWorks的所有網絡機制都遵循標準的Internet協(xié)議。在以太網協(xié)議之上，VxWorks提供了以下幾種網絡工具：套接字（Socket）；遠程過程調用（Remote Procedure Calls）；遠程文件存?。≧emote File Access）；文件輸出（File Export）；遠程命令執(zhí)行。
1.2 VxWorks中的Socket接口
本文網絡通訊接口是基于套接字（socket）來實現(xiàn)的。利用套接字，無論是單一CPU中的不同進程，還是通過共享內存底板，以太網或任何類型的網絡連接的進程都可以實現(xiàn)通信。套接字是與網絡節(jié)點的UDP或TCP端口捆綁在一起的通信接口。VxWorks實現(xiàn)了標準的BSD流套接字和數據報套接字。socket接口增加了網絡通信操作的抽象定義，與文件操作一樣，每個打開的socket都對應一個整數，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，指向一個與該socket有關的數據結構。
1.3客戶/服務器編程模式
網絡編程一般采用客戶/服務器（Client/Server）模式。服務器端有一個或多個任務在指定的端口等待來自客戶端的連接請求，一旦連接成功，即可按約定的數據交換方法和格式進行數據傳輸。客戶端則在需要的時刻向服務端發(fā)送連接請求。在C/S編程模式下，網絡應用程序可分為客戶端程序和服務器端程序。
客戶端程序是指發(fā)出用戶請求的程序，它需要知道服務端的地址，提供服務的端口號，服務所用的傳輸層協(xié)議類型。服務器端程序是提供服務的一方，它偵聽某個端口，等待來自客戶端的請求消息。在程序結構上，服務端程序可使用循環(huán)模式和并發(fā)模式。循環(huán)模式是指程序結構總體上是一個循環(huán)，一次處理一個請求。并發(fā)模式是指服務端程序可同時處理多個請求，結構上一般采用父進程接受請求，然后產生子進程來處理請求。并發(fā)模式設計時也可采用單進程的結構，即使用select調用來獲得異步I/O。
2.基于socket的C/S編程模式的嵌入式系統(tǒng)應用實例
2.1嵌入式系統(tǒng)的結構
本嵌入式系統(tǒng)作為一個整機系統(tǒng)的子系統(tǒng)運行于VME總線的VME處理器上。用戶通過訪問板卡驅動來控制硬件板卡，板卡驅動與硬件板卡通過VME總線完成通信。系統(tǒng)結構意圖如圖1所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

圖1：板卡驅動程序示意圖
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)行器實現(xiàn)目標功能。DpRAM模塊是VME處理器和硬件板卡之間共享的雙端口RAM。板卡驅動程序的目的是提供一系列接口函數，對用戶屏蔽掉硬件板卡的硬件細節(jié)。其主要任務是分發(fā)硬件板卡命令，傳遞命令伴隨的I/O參數。板卡驅動程序運行于VME總線的實時操作系統(tǒng)VxWorks上。
2.2網絡中間件
根據上面介紹的VxWorks中的網絡通信原理，我們開發(fā)了一個用于分布式系統(tǒng)上的任務/進程之間的通信模塊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、無重復并且無記錄邊界的數據流服務，同時流量和擁塞控制以及傳輸數據校驗保證了數據傳輸質量；阻塞模式節(jié)約資源，僅當客戶與服務端連接時才占用計算機芯片處理時間。[!--empirenews.page--]
系統(tǒng)中CX的作用類似于網絡中間件，它將VxWorks中socket編程接口封裝成進程間通信的統(tǒng)一接口，從而屏蔽掉底層的通信細節(jié)，調用者不需要具備socket通信的技能就能直接調用CX接口函數進行通信。在實際整機系統(tǒng)中，許多不同任務駐留在不同的CPU處理器上，即使同一處理器上由于任務的進一步劃分，子任務之間也存在進程之間的通訊。不管通信的實體(任務/進程)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公共通訊模塊來進行通信，方便實現(xiàn)了整機系統(tǒng)多點互聯(lián)的通訊機制。CX模塊主要提供了如表1的功能：
500)this.style.width=500;" border="0" />

本文中CX公共模塊在設計過程中對以下各方面也進行了兼顧：
1、CX傳送數據的實時性保證：網絡中間件針對所有接收函數都提供有timeout的功能，這樣既避免了client掛起而接收不到回應消息；又使得server端在接收請求消息并等待的同時可進行一些周期性任務的處理；
2、CX的重發(fā)機制：當一個server沒有偵聽到請求時，client可以多次向server重發(fā)請求，重發(fā)間隔時間由調用者自己設定；
3、CX支持阻塞模式：使用select機制來同步多路I/O復用。允許client從多個server等待回應。server同樣也可以使用這樣的機制來等待請求消息，或從其它server處等待回應消息；
4、CX的監(jiān)視機制：提供單獨的進程來監(jiān)視host的狀態(tài)，一旦某個host不可訪問就會產生錯誤或警告信息。
2.3網絡中間件的實例
int CXc_send(const CX_serv  serv_addr,  const void *msg,  int  len, int retry_interval )
{  
int serv_num;
int result;
//檢查調用CX的任務是否已向CX注冊，CX是否在本地host上初始化
if((!CX_TaskInitialized)||(!CXs_CXisInitialized()))
{ result = CX_NOT_INITIALIZED; }
//參數檢查
else if((len <= 0)||(len>CX_MaxMsgSize))
{ result = CX_ILLEGAL_MSG_LEN; }
else
{   //將server地址轉換為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相應的項目
if(result == CX_CONN_RESET)
    {  Client_Admin[serv_num].cl_is_connected = FALSE;  }
}
return result;
}[!--empirenews.page--]
2.4基于網絡中間件的板卡驅動程序
板卡驅動的軟件結構采用C/S（Client/Server）模式，客戶端和服務器通過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)送一個包含請求動作執(zhí)行結果的消息給發(fā)送請求的client。消息的內容和解釋則全由clients和servers來完成。板卡驅動的軟件結構示意圖如圖2所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

圖2：板卡驅動軟件結構示意圖
板卡驅動的外部接口函數ILDXA_xxx以庫文件的形式提供給用戶，作為請求服務的客戶端。用戶通過調用這些接口函數向服務器端發(fā)送請求。其中，發(fā)送請求消息的函數接口是：CXc_send(const CX_serv serv_addr, const void *msg, int len, int retry_interval)。這里每個server的地址serv_addr與邏輯主機相關，在server地址列表中給出。
請求發(fā)送成功后，客戶端調用接收返回消息的函數來接收服務端返回消息：CXc_recv(const CX_serv serv addr, void *msg, int len, int *act_len, int timeout)。
服務器端則通過一個無限循環(huán)的進程等待來自客戶的請求消息，接收請求消息的接口函數是：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server接收到一個請求消息，CX提供回復消息應該發(fā)送的返回地址。
服務器端接收到請求消息后調用相應的處理函數來處理傳遞過來的命令和參數，并繼續(xù)等待下一個請求。當命令執(zhí)行完后，外部中斷信號會中斷服務器端處理器。中斷服務程序ILDISR_command釋放信號量來同步服務器端的循環(huán)執(zhí)行的任務。此任務向客戶返回一個消息，接口函數：CXs_send(CXXA_repl repl_addr, const void *msg, int len)。
3結束語
VxWorks是一種高效的多任務的嵌入式實時操作系統(tǒng)，網絡是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中網絡通信的關鍵技術，其創(chuàng)新點在于：利用這種基于socket的面向連接的網絡通信機制，開發(fā)了普適于整機系統(tǒng)通訊的公共模塊-CX網絡中間件，具體到該嵌入式分系統(tǒng)應用中實現(xiàn)了上位機與硬件板卡的實時通信，取得了良好的效果。