基于VxWorks的復合通信模式的研究

摘要：在嵌入式系統(tǒng)與VxWorks實時操作系統(tǒng)應用愈加廣泛的背景下，結合嵌入式系統(tǒng)對于各類實時通信方式的不同需要，提出基于控制應用的復合通信模式;以Radstone公司的PPCx系列單板機為例，給出實現(xiàn)方法，并對數(shù)據(jù)通信的產(chǎn)時性與安全性作了研究。片對于各類嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測驗具有很大的參考價值。

關鍵詞：VxWorks 嵌入式系統(tǒng) 實時性 數(shù)據(jù)通信

引言

隨著信息技術的不斷發(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)勢正得到越來越廣泛的應用，包括醫(yī)學、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領域。嵌入式系統(tǒng)必須采用特殊有效的實時操作系統(tǒng)，VxWorks正是一個具有高性能的實時操作系統(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)絡當中的應用不斷加強，具有多種數(shù)據(jù)通道的復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)對于數(shù)據(jù)通信的不同要求，提出一個嵌入式系統(tǒng)復合通信模型，研究幾種具有代表性的數(shù)據(jù)通信方式，并論述在VxWorks下的實現(xiàn)方法及其一些關鍵技術。

1 嵌入式系統(tǒng)復合通信模型的設計

嵌入式系統(tǒng)在控制領域應用十分廣泛，例如在工業(yè)控制當中常常利用嵌入式系統(tǒng)作為中央控制機，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、獨立于處理器的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一?？紤]如何基于VxWorks實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的復合通信方式是有意義的。由于此時嵌放式系統(tǒng)已經(jīng)不再是孤立系統(tǒng)，而是處于某種拓撲網(wǎng)絡結構當中，因此，有必采取復合通信模式以適應系統(tǒng)擴展、集中控制和遠程信息傳輸?shù)男枰?。控制機應當具備優(yōu)良的系統(tǒng)總線、可靠的控制網(wǎng)絡、高速傳輸通道接口以及遠程數(shù)據(jù)管道。綜合以上考慮，圖1給出了一個控制機的復合通信模型。 控制機本身采用VME總線標準，可以嵌入多塊單板機，具有良好的系統(tǒng)擴展性。為了適應不同的通信要求，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，例如信號處理機數(shù)據(jù)傳輸管道。串口通信設備簡單、成本較低，傳輸速率適中且安全性高，可以作為遠程數(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)絡控制體系。

2 復合通信模式特點分析 為了對以上復合通信模型加以說明，下面對片幾種通信模式的特點進行分析。 (1)總線標準 目前常用的總線標準有多種，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)傳輸速率可以達到 80Mb/s。VME總線能處理7級中斷，具備高速的實時響應能力。VME總線采用主-從結構，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實現(xiàn)的。具有高可靠性，同時其模板結構具有良好的抗震性，適應較為惡劣的工作環(huán)境[1]。 (2)控制網(wǎng)絡 控制網(wǎng)絡一般采用局域網(wǎng)。由于TCP/IP協(xié)議是一個標準的企業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議，是比較完善的、公認的最有效的互聯(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)議還是個穩(wěn)定的、對稱的、支持交叉平臺的Client/Server方式的結構，并為應用程序提供了標準接口，對于集中控制的嵌入式系統(tǒng)采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡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，可用來連接大型機、服務器和存儲設備以實現(xiàn)高速大容量的信息傳輸。對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)遠程數(shù)據(jù)通道 由于控制機的遠程數(shù)據(jù)傳輸需要較高的安全性，同時一般只需單路傳輸，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)當中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口。由于RS-422標準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)傳輸速度可以達到10Mb/s，這對于遠程數(shù)據(jù)交換具有極大的優(yōu)勢，因此可用于遠程信息交換。

3 復合通信方式的實現(xiàn)與關鍵技術

由于本文的討論與單板機生產(chǎn)商所提供的板級支持包有關，而不同類型的單板機所提供的板級支持包(BSP、ESP)也會略有不同，為了不失一般性同時具有一定先進性，本文采用英國Radstone公司生產(chǎn)的PPCx系列單板機作示例。PPCx系列單板機功能集成度高、擴展性強、性能穩(wěn)定，可以添加多種外圍存儲設備、支持高分辨顯示，是一種理想的單板機系統(tǒng)。

3.1 基于VME總線的DMA通信方式 在VME總線上，每個單板機如果要訪問其它單板機的RAM，必須通信VME總線地址映射。因此，每塊板上有兩個地址譯碼器，一個用于VME總線地址→本地地址譯碼，而另一個用于本地地址→VME總線地址譯碼，這樣就會存在多個不同的存儲器地址映射。如果想要訪問某個單板機的RAM，需要知道該單板機的 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系如圖2所示。 綜上所述，對于某一VME總線中的任務一塊板而言，只要獲得了它的本地地址到VME總線地址的映射關系，就可以從板外來訪問該板的RAM。VxWorks 標準函數(shù)庫sysLib當中提供了函數(shù)sysLocaltoBusAddr()，可以直接獲得本地地址的VME總線地址。這樣，當前主機只需調(diào)用該函數(shù)獲得自身RAM地址到VME地址映射，其它的主機就可以根據(jù)該映射得到的VME總線地址訪問該主機。因此，當需要對于外板的某些控制寄存器進行位元操作的進修，這種方法就顯得尤其重要：因為往往沒有函數(shù)能夠僅僅對于外板RAM的某個字節(jié)進行操作，更無法定位到位操作。 為了進一步提高數(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驅動程序，調(diào)用函數(shù)dmaDrv(); ②建立DMA設備，調(diào)用函數(shù)dmaDevCreate(); ③打開DMA進行讀寫，調(diào)用函數(shù)open()、write()、read()。 DMA設備句柄就是一個類似于文件指針的數(shù)據(jù)類型，所以可以像一個標準數(shù)據(jù)操作來對待。開啟設備后即可調(diào)用文件讀寫標準函數(shù)進行讀寫操作。通過較為嚴格的測試，DMA數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到40Mb/s以上，并且不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

為了保證主機對于其它主機DMA傳輸數(shù)據(jù)的實時響應，應當產(chǎn)生VME總線中斷信號通知該主機。當某個主機發(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)生一個級別為intLevel、中斷號為intNum的中斷信號。 接收端主機事先建立一個與該級別中斷信號對應的客戶中斷服務程序，并將該客戶中斷服務程序鏈接到所要求級別的中斷號上，從而實現(xiàn)對其進行實時響應。當主機接收到屬于自己的中斷信號后，會立刻自動調(diào)用該中斷服務程序。這時可利用中斷服務程序釋放一個信號燈，通過該信號燈驅動相應的數(shù)據(jù)處理模塊，從而實現(xiàn)實時操作。如下面的全程： /*客戶中斷服務程序*/ void intHdlr(SEM_ID semId) void intHdlr(SEM_ID semId) { /*釋放信號燈*/ semGive(semId); } /*等待信號燈的處理模塊*/ void processsModle(void) { /*等待信號燈*/ semTake(semld); /*處理模塊代碼*/ … } VME總線共有7個中斷級別，排除系統(tǒng)使用的中斷號，客戶自定義中斷號可從18設置到32。這樣能夠為足夠多的主機設置中斷服務程序，從而實現(xiàn) VxWorks操作系統(tǒng)下的多主機VME總線實時高速通信。 3.2 串行口通信 在VxWorks中，將I/O系統(tǒng)設計成為任何類型的設備提供一個簡單、統(tǒng)一、獨立于設備的接口，所以串行口通信軟件的設計和VME通信具有相似之處。在 VxWorks中，任何對于串行口的操作仍然可以視為對一個文件的操作，而不必了解關于設備或程序驅動實現(xiàn)的細節(jié)。在串行口通信軟件的設計不中，利用 RRCx的增強軟件包ESP可對驅動成功后的串行口設備進行操作。系統(tǒng)首先調(diào)用ESP軟件提供的esccDrv()安裝串行驅動程序，隨后調(diào)用 esccDevCreate()將指定的串口設備添加到系統(tǒng)中，當串口初始化完成后，與DMA操作方式類似，在使用之前利用open()打開相應串口，依據(jù)串口打開時的讀寫標志，調(diào)用函數(shù)write()、read()對串口進行只讀操作、只寫操作或同時進行讀寫操作。 對于串口通信，仍然要關心數(shù)據(jù)接收的實時性。可采用中斷方式，利用VxWorks提供的select函數(shù)的事件觸發(fā)機制，將讀串口的任務阻塞使其一直等待數(shù)據(jù)，當有數(shù)據(jù)來到的時候該任務會立刻自動響應，提高系統(tǒng)的實時性。

3.3 基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信 網(wǎng)絡通信一般可通過套接口(socket)實現(xiàn)。VxWorks提供了標準的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。任何一個任務都可以打開一或多個socket，其它任務的socket可與之連接?？蛻舳顺绦蚴紫日{(diào)用socket()個函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接口，并為每個套接口返回一個ID號，然后初始化一個套接口結構體，為其賦上該 ID號以及服務端的IP地址和端口號，并將具作為函數(shù)connect()的參數(shù)，調(diào)用connect()函數(shù)主動去連接客戶端。服務端則需調(diào)用 bind()函數(shù)將自身IP和端口號綁定，以保證客戶端正確識別。為了確保服務器能夠實時接收客戶端的數(shù)據(jù)，當服務端與客戶端建立連接之后，必須嵌入循環(huán)，利用read()語句不斷等待客戶數(shù)據(jù)。同時客戶端每次發(fā)送數(shù)據(jù)之后也應等待服務端回復，建立握手機制。一個完整的socket網(wǎng)絡應該可以用圖3來描述。值得指出的是，read調(diào)用具有一個PEEK選項，即向接收緩沖區(qū)探測是否有數(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)絡的狀態(tài)。這個功能適用于網(wǎng)絡查錯。

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)核上實現(xiàn)光纖通信也需要加載相關的驅動程序;同時，主機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、目前應用最為廣泛的光纖通道適配器。它主要包括四個功能模塊：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，有三個通道PCI總線DMA控制器以及ISP2200A的外存儲器。 RRCx的ESP為該適配器QLA2200提供了驅動程序，支持基于交換機、仲裁環(huán)以及點對點等三種拓撲結構的SCSI、IP和低開銷訪問(LLA)協(xié)議，其固件協(xié)議層結構如圖4所示。

當VxWorks啟動之后，需要調(diào)用QLA2200的初始化函數(shù)ql22Init()，該函數(shù)的功能是驅動PPCx主板上QLA2200的PCI板卡，包括SCSI、IP固件協(xié)議初始化。此時，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實際上一種不具備協(xié)議管理的點對點通信模式，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器/客戶機的通信機制，即服務端可以實時響應客戶端的數(shù)據(jù)請求，但它同樣缺乏握手安全機制。因此，如果客戶端連續(xù)發(fā)送兩次大批量數(shù)據(jù)，將會由于服務器來不及接收導致該兩批數(shù)據(jù)首尾發(fā)生沖突，故需加以改進。LLA的服務器/客戶機通信機制是通過調(diào)用函數(shù)ql22laHookAttach()在服務端設備一個掛鉤函數(shù)來實現(xiàn)的。每當客戶端向服務端發(fā)送數(shù)據(jù)，該掛鉤函數(shù)將會立刻自動響應，因此，可以在掛鉤函數(shù)當設置VxWorks消息隊列，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)送到服務端本地消息隊列當中去*/ msgQsend(ServerQueue,ClientData,Length,NO_WAIT,0); } 采用消息隊列接收數(shù)據(jù)則是由于它具有消息自動追加功能，可以保證數(shù)據(jù)在高速拷貝時不被覆蓋。當傳輸完畢后，服務端就可以將消息隊列當中的數(shù)據(jù)取出來進一步處理?？蛻舳藙t應當在每次發(fā)送數(shù)據(jù)完畢之后等待服務端的回答，首到得到確認之后才可以進行下一步發(fā)送。因此，客戶端必須設備回復等待，這可以利用信號燈來實現(xiàn)。LLA具有很高的傳輸速率。根據(jù)測試，在實施了握手通信機制后，傳輸速率可達50Mb/s以上，而且實現(xiàn)，系統(tǒng)開銷很小，適應于點對點的主機高速通信。

4 結論

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