基于A(yíng)RM7實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的設計和實(shí)現

隨著(zhù)基于TCP/ IP 協(xié)議的Internet 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的日益發(fā)展和普及， 各種信息網(wǎng)紛紛采用T CP/ IP 協(xié)議， 并接入Internet 網(wǎng)。傳統的測控系統由于其封閉性有被基于TCP/ IP 的網(wǎng)上測控系統取代。由于IP 尋址簡(jiǎn)單， 適于異構網(wǎng)互連， 為實(shí)現分布式處理、實(shí)時(shí)監控的測控系統的實(shí)現提供了很好的條件。本文所構建的系統被用于將多個(gè)采集點(diǎn)的數據傳給主控機， 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )還有其他三個(gè)采集節點(diǎn)， 主控機按順序給各個(gè)節點(diǎn)發(fā)指令字， 并依次從它們那里接收數據包， 其通信協(xié)議采用了T CP 和U DP。并以KEIL uVisiON3 的RT L 實(shí)時(shí)庫為軟件平臺， 基于ATMEL公司ARM7 系列處理器， 實(shí)現了完整的功能。

1 系統的硬件構成

1. 1 系統的硬件

系統的三個(gè)采集節點(diǎn)都采用ATMEL 的A T91SAM7X256, 該微控制器具備嵌入式10/ 100 以太網(wǎng)（Ethernet） MA C、CA N、全速（ 12Mbps） U SB 2. 0。它針對廣泛的網(wǎng)絡(luò )化實(shí)時(shí)嵌入式系統而設計的，AT 91SAM7X256 還具備一個(gè)10 位模數轉換器（ ADC） 、兩個(gè)串行外圍接口（ SPI） 、同步串行接口（ SSC） 、雙線(xiàn)接口（ TWI） 、三個(gè)通用異步收發(fā)器（ UART） 、一個(gè)8 級（ 8- level） 優(yōu)先中斷控制器（ pr ior ity inter rupt controller ） 和眾多的監管功能。這個(gè)新型的50 MIPS MCU 擁有64KB 的靜態(tài)存儲器和256K B 的25ns 閃存， 這種閃存支持實(shí)時(shí)控制系統所需的可確定性處理能力。

主控機用PC 機， 操作系統用RedHat9. 0, 它主要用于輪詢(xún)各個(gè)采集節點(diǎn)， 并將從它們那里收到的數據包儲存和顯示出來(lái)。

1. 2 系統的拓撲結構

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的拓撲結構與以太網(wǎng)相同。主機通過(guò)以太網(wǎng)卡連到通信電纜上。通信電纜可以是同軸電纜， 也可以用非屏蔽雙絞線(xiàn)。如果是非屏蔽雙絞線(xiàn)， 則需要用HUB。

2 系統的軟件構成

2. 1 體系結構

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)參照ISO 的OSI 模型， 采用縮減的網(wǎng)絡(luò )體系結構。網(wǎng)絡(luò )體系結構分為四層： 物理層、數據鏈路層、傳輸層和應用層， 其中數據鏈路層又可細分為MAC 子層和LLC 子層。以太網(wǎng)卡實(shí)現了物理層和MAC 子層能； LLC子層設計為向傳輸層提供無(wú)連接無(wú)確認的服務(wù)。傳輸層實(shí)現基于消息的數據傳輸， 并向應用層提供網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)間實(shí)時(shí)數據傳輸服務(wù)。下面將著(zhù)重討論傳輸層協(xié)議的設計。

2. 2 KEIL uVision3 的RTL 實(shí)時(shí)庫

RealView RL- ARM 是為解決基于A(yíng)RM MCU 的嵌入式系統中的實(shí)時(shí)及通信問(wèn)題而設計的緊密耦合庫集合。

它可以非常方便地應用于所有A RM7、ARM9 和Cort ex-M3 系列的處理器， 使得在A(yíng)RM 處理器上運行實(shí)時(shí)程序非常容易。它包含四個(gè)部分： RT X 實(shí)時(shí)內核、Flash 文件系統、TCP/ IP 協(xié)議簇、RT L - CAN （ 控制域網(wǎng)絡(luò )） , Real??

V iew 實(shí)時(shí)庫可以解決嵌入式開(kāi)發(fā)中的如下幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：

（ 1） 多任務(wù)（ 可以在單CPU 上管理幾個(gè)工作或任務(wù)） ;（ 2） 實(shí)時(shí)控制（ 可以控制任務(wù)在既定時(shí)間內完成） ;（ 3） 任務(wù)間通信（ 可以實(shí)現系統中的任務(wù)間通信） ;（ 4） Internet 連接（ 通過(guò)以太網(wǎng)或串口（ Modem） ） ;（ 5） 嵌入式Web 服務(wù)器（ 包括CGI 腳本） ;（ 6）E- mail 公告（ 通過(guò)SMT P） 。

系統的網(wǎng)絡(luò )功能正是構建在RT L 實(shí)時(shí)庫之上的。下面簡(jiǎn)述一些RTL 實(shí)時(shí)庫的網(wǎng)絡(luò )函數。

（ 1） TCP 發(fā)送函數BOOL t cp_ send （ U8 Socket , U8* buf, U16 dlen） ;其中Socket 為通信TCP Socket, 它包含了對方的IP和端口信息， buf 為要發(fā)送數據的首地址， dlen 為發(fā)送數據包的最大值。

（ 2）U DP 的發(fā)送函數udp _ send （ U8 Socket , U8 *remip, U16 rempor t, U 8 * buf, U16 dlen） , 其中Socket 為通信U DP S ocket , remip 為對方的IP 地址， rempor t 為對方的通信端口， buf 為要發(fā)送數據的首地址， dlen 為發(fā)送數據包的最大值。

（ 3） 接收數據時(shí)， RT L 實(shí)時(shí)庫不像BSD Socket 一樣有專(zhuān)門(mén)的接收函數， 而是利用回調機制， 即收到數據時(shí)， 就觸發(fā)相應的回調函數。另外， 對于T CP, 在回調函數里它有多個(gè)響應事件， 如TCP_EVT _CON REQ （ 連接請求） ; T CP_EVT_CONN ECT（ 已建立連接） ; T CP_EVT _CLOSE（ 連接已關(guān)閉） ; T CP_EV T_ABORT （ 連接異常終止） ; TCP_EV T_ACK（ 發(fā)送的數據已被對方響應） ; T CP_EVT _DATA （ 收到數據包） , 提取收到的數據并進(jìn)行處理就是在該事件下完成的。然而， 對于UDP, 它沒(méi)有各個(gè)響應事件。

2. 3 主控機的功能及系統的性能分析

主控機的運行環(huán)境為RedH at9. 0, 采用標準的BSDSocket , 它按順序給各點(diǎn)發(fā)指令字， 然后依次從它們那里接收數據包并進(jìn)行存儲和顯示。

按照上述的硬件和軟件構建后， 調試和測試后可得系統的通信速率如表1 和表2 所示。

表1 PC 對3 個(gè)SAM7（ 基于TCP ）

表2 PC 對3 個(gè)SAM7（ 基于UDP）

對照發(fā)現， U DP 的傳輸速率可以達到TCP 的約2. 5倍。由于U DP 協(xié)議并不提供數據傳送的保證機制， 如果在從發(fā)送方到接收方的傳遞過(guò)程中出現數據報的丟失， 協(xié)議本身并不能做出任何檢測或提示。因此， 我們把U DP協(xié)議稱(chēng)為不可靠的傳輸協(xié)議。而T CP 協(xié)議中包含了專(zhuān)門(mén)的傳遞保證機制， 當數據接收方收到發(fā)送方傳來(lái)的信息時(shí)， 會(huì )自動(dòng)向發(fā)送方發(fā)出確認消息； 發(fā)送方只有在接收到該確認消息之后才繼續傳送其它信息， 否則將一直等待直到收到確認信息為止。鑒于此， 我們在系統在采用了以下的機制， 即在PC 先采集節點(diǎn)發(fā)送指令字時(shí)用TCP 協(xié)議，而在傳輸采集數據包是就用UDP 協(xié)議。

3 結束語(yǔ)

保證網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)時(shí)性， 對整個(gè)實(shí)時(shí)系統的正?？煽窟\轉起著(zhù)決定性作用。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)、高速、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但也有其不足之處。如抗惡劣環(huán)境能力差；傳輸層在主機實(shí)現， 占用了主機的資源； 與主機上程序的協(xié)調運行也是要考慮的問(wèn)題。