EPA通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

1. 前言

在國(guó)家863計(jì)劃的連續(xù)滾動(dòng)支持下，重慶郵電大學(xué)作為核心單位參與制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DD《用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA（Ethernet for plant automation）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱“EPA標(biāo)準(zhǔn)”）。 由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特殊要求，在EPA網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的協(xié)議棧必須穩(wěn)定高效,這就需要我們不斷去探索好的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)方法。本文在分析了EPA網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)EPA通信協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)中的內(nèi)存，時(shí)鐘管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。

2. EPA網(wǎng)絡(luò)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前EPA做為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的解決方案之一，它主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

2.1 通信確定性與實(shí)時(shí)性

以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)）介質(zhì)訪問控制機(jī)制，因此具有通信“不確定性”的特點(diǎn)，并成為其應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的主要障礙。EPA是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用分段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊需要，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性的問題，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

2.2 穩(wěn)定性與可靠性

Ethernet進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，而未針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來設(shè)計(jì)（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。而EPA做為應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定性與可靠性也是其必需的特點(diǎn)。

3. EPA協(xié)議中的內(nèi)存管理

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中采取的內(nèi)存管理方案有兩種DD靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。一般來說，嵌入式系統(tǒng)總是兩種方案的組合，純粹的靜態(tài)分配一般只使用在不計(jì)成本來保證嚴(yán)格實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合，而且靜態(tài)分配容易使系統(tǒng)失去靈活性。考慮到EPA協(xié)議棧主要應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，所以我們?cè)贓PA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中主要采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式。動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理機(jī)制在嵌入式軟件設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，也是直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)部分和非網(wǎng)絡(luò)部分的內(nèi)存需求，我們把整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存分成報(bào)文緩沖區(qū)和通用緩沖區(qū)兩個(gè)不同的區(qū)域。先從系統(tǒng)申請(qǐng)固定大小的靜態(tài)內(nèi)存做為報(bào)文緩沖區(qū)和通用緩沖區(qū)，在每塊內(nèi)存區(qū)上定義自身的內(nèi)存分配和回收算法，通過這種設(shè)計(jì)，能夠確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不使用系統(tǒng)全部可用內(nèi)存，應(yīng)用程序也不會(huì)使用網(wǎng)絡(luò)已用內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存區(qū)域隔離，也防止了協(xié)議棧耗盡所有系統(tǒng)內(nèi)存，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1報(bào)文緩沖區(qū)

EPA協(xié)議中用戶數(shù)據(jù)從本地嵌入式設(shè)備傳輸?shù)竭h(yuǎn)程設(shè)備的過程中，要經(jīng)過各層協(xié)議，對(duì)消息的封裝，去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)來存儲(chǔ)，傳遞數(shù)據(jù)的做法會(huì)有缺陷：例如當(dāng)從上層向下層傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，下層協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，而上層在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)不會(huì)考慮到下層的需要。這樣就會(huì)導(dǎo)致下層協(xié)議處理時(shí)需要重新申請(qǐng)內(nèi)存并進(jìn)行內(nèi)存拷貝，從而影響程序的效率。另外隨著數(shù)據(jù)的逐層處理，其內(nèi)容可能有所增刪，而連續(xù)內(nèi)存很難處理這樣動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)增刪。因此，必須要有一種能適應(yīng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)增刪，而在邏輯上又呈現(xiàn)連續(xù)性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以滿足各層之間的數(shù)據(jù)傳遞，而不是進(jìn)行內(nèi)存拷貝。因此在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中采取的報(bào)文內(nèi)存管理方案必須滿足以下要求：（1）適合存放不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。（2）方便地操作變長(zhǎng)緩存。（3）盡量減少為完成這些操作所做的數(shù)據(jù)拷貝。

綜合考慮系統(tǒng)效率和EPA網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的特點(diǎn)，在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)的每個(gè)緩沖塊的長(zhǎng)度固定，大小以滿足EPA網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)報(bào)文的長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，這里我們?cè)O(shè)置每個(gè)緩沖塊的長(zhǎng)度為128字節(jié)，大于這個(gè)長(zhǎng)度的報(bào)文，就用多個(gè)緩沖塊形成的緩沖鏈來滿足。

EPA_BUFFER類型的緩沖區(qū)是報(bào)文緩沖區(qū)，該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)指針，兩個(gè)長(zhǎng)度域，其中next 域指針指向下一個(gè)EPA_BUFFER的緩沖塊，pdata域指向EPA_BUFFER中的數(shù)據(jù)起始位，tot_len域包括整個(gè)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，len域包含該緩沖塊中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。EPA_BUFFER整個(gè)結(jié)構(gòu)的大小取決域所使用的處理器體系結(jié)構(gòu)中一個(gè)指針的大小及可能的最小alignment的大小。在帶有32位指針和4個(gè)字節(jié)alignment的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)的大小為16字節(jié)。一個(gè)EPA_BUFFER鏈，如圖1所示：

圖1. EPA_BUFFER鏈結(jié)構(gòu)

緩沖區(qū)的操作函數(shù)：

void buf_init( void )；

epa_buf_t * buf_alloc( void );

epa_buf_t * buf_new(u16_t tot_len);

void buf_delete(epa_buf_t *buffer);

epa_buf_t * buf_adjust(epa_buf_t *buffer, s16_t flen, s16_t blen);

void buf_read(epa_buf_t *buffer, u8_t *pdata, u16_t *len);

void buf_write(epa_buf_t *buffer, u8_t *pdata, u16_t *len);

對(duì)報(bào)文緩沖區(qū)使用這種設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)從中斷發(fā)送，到協(xié)議處理，用戶接收等整個(gè)過程中，數(shù)據(jù)只需要一次拷貝，減少了對(duì)數(shù)據(jù)空間需求（不用頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)硬復(fù)制），從而提高了EPA協(xié)議處理地實(shí)時(shí)性。

3.2通用緩沖區(qū)

在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中，通用緩沖區(qū)管理的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，它分配和回收鄰近的內(nèi)存區(qū)域并且調(diào)整已分配的內(nèi)存塊。它使用系統(tǒng)中全部?jī)?nèi)存的特定區(qū)域， EPA_MEM類型的緩沖區(qū)是通用緩沖區(qū)，主要滿足協(xié)議棧中與報(bào)文無關(guān)的內(nèi)存需求。

在EPA_RAM內(nèi)部，內(nèi)存管理通過將一種小的結(jié)構(gòu)放置在每一個(gè)被分配的內(nèi)存塊的頂端上來追蹤分配的內(nèi)存，這個(gè)結(jié)構(gòu)（圖2）設(shè)置兩個(gè)指針指向內(nèi)存中下一個(gè)和前一個(gè)分配塊，還有一個(gè)used標(biāo)志用來指示這個(gè)內(nèi)存塊是否已經(jīng)被分配。使用最先適用的原則，通過搜索一個(gè)未使用的內(nèi)存塊來分配內(nèi)存。當(dāng)一個(gè)內(nèi)存塊被釋放時(shí)，used標(biāo)志被設(shè)為0，為了防止碎片，檢測(cè)下一個(gè)和上一個(gè)內(nèi)存塊的used標(biāo)志，如果它們還沒有被使用，幾個(gè)塊合并成一個(gè)大的未使用的塊。

圖2 EPA_RAM結(jié)構(gòu)

4. EPA協(xié)議中的時(shí)鐘管理

在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中，定時(shí)器的有效管理尤為重要，特別是在確定性調(diào)度實(shí)現(xiàn)方面，能不能對(duì)定時(shí)器進(jìn)行合理的管理往往成為提高整個(gè)協(xié)議棧實(shí)時(shí)性能的瓶頸。對(duì)定時(shí)器的組織和管理最簡(jiǎn)單的方式是采取先進(jìn)先出(FIFO)方式的鏈表單隊(duì)列，這種組織管理方式會(huì)有一下兩個(gè)問題：定時(shí)隊(duì)列太長(zhǎng)，找到所有到點(diǎn)定時(shí)器的時(shí)間開銷難以接受；當(dāng)定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)要對(duì)所有的定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)域進(jìn)行減法操作，該部分時(shí)間性開銷也很大。另外，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式設(shè)備中，外設(shè)資源相對(duì)有限，為了使該協(xié)議棧能夠廣泛的應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)，我們使用一個(gè)硬件定時(shí)器為基準(zhǔn)時(shí)鐘，然后在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單遞增時(shí)鐘隊(duì)列，以滿足EPA系統(tǒng)對(duì)確定性調(diào)度以及時(shí)間同步的要求。

在系統(tǒng)中，為每個(gè)任務(wù)分配申請(qǐng)一個(gè)簡(jiǎn)單相對(duì)遞增時(shí)鐘隊(duì)列，隊(duì)列中的定時(shí)節(jié)點(diǎn)按照定時(shí)時(shí)長(zhǎng)排列有序，時(shí)長(zhǎng)短的靠前，如圖3所示，定時(shí)節(jié)點(diǎn)1的時(shí)長(zhǎng)為5 ticks, 定時(shí)節(jié)點(diǎn)2的時(shí)長(zhǎng)為2ticks, 定時(shí)節(jié)點(diǎn)3的時(shí)長(zhǎng)為4ticks， 在隊(duì)列中，定時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)值改為相對(duì)前一定時(shí)節(jié)點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)的差值，即相對(duì)時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，只需對(duì)隊(duì)頭的時(shí)長(zhǎng)域進(jìn)行減1操作，所有的到點(diǎn)定時(shí)節(jié)點(diǎn)也均集中于隊(duì)列的前面。每個(gè)隊(duì)列中又可以有多個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。邏輯時(shí)鐘隊(duì)列中，每個(gè)定時(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示:

typedef void (* timer_fun)(void *arg);

struct timer_node{

struct timer_node *next; /* 指向下一個(gè)定時(shí)節(jié)點(diǎn) */

u32 time; /* 定時(shí)時(shí)間 */

timer_fun hander; /* 定時(shí)時(shí)間到后執(zhí)行的函數(shù) */

void *arg; /* 定時(shí)時(shí)間到后執(zhí)行函數(shù)的參數(shù) */

}

一個(gè)時(shí)鐘隊(duì)列如下圖所示：

圖 3 EPA時(shí)鐘隊(duì)列

邏輯時(shí)鐘隊(duì)列的處理函數(shù)有：

void time_queue_init( void );

u8_t time_task_add(u32_t msec, time_fun hander, void *arg);

u8_t time_task_delete(time_fun hander, void *arg);

在EPA協(xié)議棧設(shè)計(jì)中，利用此種定時(shí)隊(duì)列，能夠使用一個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)器就可以簡(jiǎn)單，有效的實(shí)現(xiàn)確定性調(diào)度和時(shí)間同步所需的定時(shí)功能。

5.結(jié)論

本協(xié)議棧設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)C進(jìn)行開發(fā)，并在ARM平臺(tái)上結(jié)合UCOS-II進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：采用分類鏈?zhǔn)絻?nèi)存管理和相對(duì)遞增時(shí)鐘隊(duì)列的內(nèi)存和時(shí)鐘管理方法的EPA通信協(xié)議棧通信過程穩(wěn)定，速度快。

參考文獻(xiàn)：

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