基于VxWorks的嵌入式系統復合通信模式

關(guān)鍵詞：VxWorks 嵌入式系統 實(shí)時(shí)性 數據通信

引言

隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，嵌入式操作系統以其速率高、穩定、可配置內核的優(yōu)勢正得到越來(lái)越廣泛的應用，包括醫學(xué)、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領(lǐng)域。嵌入式系統必須采用特殊有效的實(shí)時(shí)操作系統，VxWorks正是一個(gè)具有高性能的實(shí)時(shí)操作系統，成為嵌入式系統操作內核的最佳選擇之一。隨著(zhù)嵌入式系統在網(wǎng)絡(luò )當中的應用不斷加強，具有多種數據通道的復合通信模式顯得列為必要。本文根據基于VxWorks的嵌入式系統對于數據通信的不同要求，提出一個(gè)嵌入式系統復合通信模型，研究幾種具有代表性的數據通信方式，并論述在VxWorks下的實(shí)現方法及其一些關(guān)鍵技術(shù)。

1 嵌入式系統復合通信模型的設計

嵌入式系統在控制領(lǐng)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作為中央控制機，完成信息采集、分系統監管、系統決策等等重要功能。硬件往往離不開(kāi)軟件的支持。VxWorks操作系統是目前功能最全的、獨立于處理器的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統之一?？紤]如何基于VxWorks實(shí)現嵌入式系統的復合通信方式是有意義的。由于此時(shí)嵌放式系統已經(jīng)不再是孤立系統，而是處于某種拓撲網(wǎng)絡(luò )結構當中，因此，有必采取復合通信模式以適應系統擴展、集中控制和遠程信息傳輸的需要?？刂茩C應當具備優(yōu)良的系統總線(xiàn)、可靠的控制網(wǎng)絡(luò )、高速傳輸通道接口以及遠程數據管道。綜合以上考慮，圖1給出了一個(gè)控制機的復合通信模型。

控制機本身采用VME總線(xiàn)標準，可以嵌入多塊單板機，具有良好的系統擴展性。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，適合作為大流量數據通道，例如信號處理機數據傳輸管道。串口通信設備簡(jiǎn)單、成本較低，傳輸速率適中且安全性高，可以作為遠程數據通道。以太網(wǎng)則由于其極佳的增容性、穩定性，適合于局域網(wǎng)絡(luò )控制體系。

2 復合通信模式特點(diǎn)分析

為了對以上復合通信模型加以說(shuō)明，下面對片幾種通信模式的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（1）總線(xiàn)標準

目前常用的總線(xiàn)標準有多種，基中VME總線(xiàn)支持多處理器系統，最多可以容納21塊插件。地址總線(xiàn)32位，數據總線(xiàn)32位，數據傳輸速率可以達到80Mb/s。VME總線(xiàn)能處理7級中斷，具備高速的實(shí)時(shí)響應能力。VME總線(xiàn)采用主-從結構，主功能模塊傳輸數據之間必須先使用中央仲裁器，也稱(chēng)為系統控制器，具有總線(xiàn)仲裁功能。VME數據傳輸總線(xiàn)是高速異步并行的，模塊間數據傳輸是通過(guò)連鎖的握手信號實(shí)現的。具有高可靠性，同時(shí)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(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)標準的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )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都支持TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議還是個(gè)穩定的、對稱(chēng)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采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò )通信無(wú)疑是方便而且有效的。

（3）高速數據接口

目前來(lái)看，光纖通道作為高速數據通信是最為有利的。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據接口，支持SCSI、IP等上層數據傳輸協(xié)議，具有可靠性高、速度快和傳輸距離的特點(diǎn)，可用來(lái)連接大型機、服務(wù)器和存儲設備以實(shí)現高速大容量的信息傳輸。對于分離的嵌入式硬件系統而言，采用光纖通道作為高速I(mǎi)/O數據接口無(wú)疑是一種很好的選擇。

（4）遠程數據通道

由于控制機的遠程數據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的帶寬，因此可以考慮使用串行口通信。串行口在嵌入式系統當中是一類(lèi)重要的數據通信接口。由于RS-422標準串行口通信采用了雙線(xiàn)傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，最大數據傳輸速度可以達到10Mb/s，這對于遠程數據交換具有極大的優(yōu)勢，因此可用于遠程信息交換。

3 復合通信方式的實(shí)現與關(guān)鍵技術(shù)

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(guān)，而不同類(lèi)型的單板機所提供的板級支持包（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。

3.1 基于VME總線(xiàn)的DMA通信方式

在VME總線(xiàn)上，每個(gè)單板機如果要訪(fǎng)問(wèn)其它單板機的RAM，必須通信VME總線(xiàn)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(xiàn)地址→本地地址譯碼，而另一個(gè)用于本地地址→VME總線(xiàn)地址譯碼，這樣就會(huì )存在多個(gè)不同的存儲器地址映射。如果想要訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)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(xiàn)地址，然后通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)VME總線(xiàn)地址映射到自身的本地地址而訪(fǎng)問(wèn)到系統控制器，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，對于某一VME總線(xiàn)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(xiàn)地址的映射關(guān)系，就可以從板外來(lái)訪(fǎng)問(wèn)該板的RAM。VxWorks標準函數庫sysLib當中提供了函數sysLocaltoBusAddr()，可以直接獲得本地地址的VME總線(xiàn)地址。這樣，當前主機只需調用該函數獲得自身RAM地址到VME地址映射，其它的主機就可以根據該映射得到的VME總線(xiàn)地址訪(fǎng)問(wèn)該主機。因此，當需要對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：因為往往沒(méi)有函數能夠僅僅對于外板RAM的某個(gè)字節進(jìn)行操作，更無(wú)法定位到位操作。

為了進(jìn)一步提高數據傳輸速率，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(xiàn)的DMA數據傳輸方式，而DMA是外存數據傳輸最有效的一種方式。具體步驟如下：

①安裝DMA驅動(dòng)程序，調用函數dmaDrv（）；

②建立DMA設備，調用函數dmaDevCreate()；

③打開(kāi)DMA進(jìn)行讀寫(xiě)，調用函數open()、write（）、read()。

DMA設備句柄就是一個(gè)類(lèi)似于文件指針的數據類(lèi)型，所以可以像一個(gè)標準數據操作來(lái)對待。開(kāi)啟設備后即可調用文件讀寫(xiě)標準函數進(jìn)行讀寫(xiě)操作。通過(guò)較為嚴格的測試，DMA數據傳輸速率可以達到40Mb/s以上，并且不發(fā)生數據傳輸錯誤。

為了保證主機對于其它主機DMA傳輸數據的實(shí)時(shí)響應，應當產(chǎn)生VME總線(xiàn)中斷信號通知該主機。當某個(gè)主機發(fā)送數據完畢后，須調用VxWorks提供的函數sysBusIntGen （）t向VME總線(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)與該級別中斷信號對應的客戶(hù)中斷服務(wù)程序，并將該客戶(hù)中斷服務(wù)程序鏈接到所要求級別的中斷號上，從而實(shí)現對其進(jìn)行實(shí)時(shí)響應。當主機接收到屬于自己的中斷信號后，會(huì )立刻自動(dòng)調用該中斷服務(wù)程序。這時(shí)可利用中斷服務(wù)程序釋放一個(gè)信號燈，通過(guò)該信號燈驅動(dòng)相應的數據處理模塊，從而實(shí)現實(shí)時(shí)操作。如下面的全程：

/*客戶(hù)中斷服務(wù)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(xiàn)共有7個(gè)中斷級別，排除系統使用的中斷號，客戶(hù)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(wù)程序，從而實(shí)現VxWorks操作系統下的多主機VME總線(xiàn)實(shí)時(shí)高速通信。

3.2 串行口通信

在VxWorks中，將I/O系統設計成為任何類(lèi)型的設備提供一個(gè)簡(jiǎn)單、統一、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(gè)文件的操作，而不必了解關(guān)于設備或程序驅動(dòng)實(shí)現的細節。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(dòng)成功后的串行口設備進(jìn)行操作。系統首先調用ESP軟件提供的esccDrv()安裝串行驅動(dòng)程序，隨后調用esccDevCreate（）將指定的串口設備添加到系統中，當串口初始化完成后，與DMA操作方式類(lèi)似，在使用之前利用open()打開(kāi)相應串口，依據串口打開(kāi)時(shí)的讀寫(xiě)標志，調用函數write()、read()對串口進(jìn)行只讀操作、只寫(xiě)操作或同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

對于串口通信，仍然要關(guān)心數據接收的實(shí)時(shí)性?？刹捎弥袛喾绞?，利用VxWorks提供的select函數的事件觸發(fā)機制，將讀串口的任務(wù)阻塞使其一直等待數據，當有數據來(lái)到的時(shí)候該任務(wù)會(huì )立刻自動(dòng)響應，提高系統的實(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(guò)套接口（socket）實(shí)現。VxWorks提供了標準的BSD socket調用，具有兩種類(lèi)型：Stream socket（全雙工流類(lèi)型）、Datagram sockets（數據攝類(lèi)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(kāi)一或多個(gè)socket，其它任務(wù)的socket可與之連接?？蛻?hù)端程序首先調用socket()個(gè)函數產(chǎn)生用于與各分系統連接的套接口，并為每個(gè)套接口返回一個(gè)ID號，然后初始化一個(gè)套接口結構體，為其賦上該ID號以及服務(wù)端的IP地址和端口號，并將具作為函數connect（）的參數，調用connect()函數主動(dòng)去連接客戶(hù)端。服務(wù)端則需調用bind（）函數將自身IP和端口號綁定，以保證客戶(hù)端正確識別。為了確保服務(wù)器能夠實(shí)時(shí)接收客戶(hù)端的數據，當服務(wù)端與客戶(hù)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(hù)數據。同時(shí)客戶(hù)端每次發(fā)送數據之后也應等待服務(wù)端回復，建立握手機制。一個(gè)完整的socket網(wǎng)絡(luò )應該可以用圖3來(lái)描述。值得指出的是，read調用具有一個(gè)PEEK選項，即向接收緩沖區探測是否有數據而并不真正取出數據，根據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。

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內核上實(shí)現光纖通信也需要加載相關(guān)的驅動(dòng)程序；同時(shí)，主機也需安裝光纖通信適配器，然后通過(guò)光纖電纜連接。下面仍以PPCx系列單板機為例來(lái)說(shuō)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(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(xiàn)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(dòng)程序，支持基于交換機、仲裁環(huán)以及點(diǎn)對點(diǎn)等三種拓撲結構的SCSI、IP和低開(kāi)銷(xiāo)訪(fǎng)問(wèn)（LLA）協(xié)議，其固件協(xié)議層結構如圖4所示。

當VxWorks啟動(dòng)之后，需要調用QLA2200的初始化函數ql22Init()，該函數的功能是驅動(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)議的數據通信模式；而LLA實(shí)際上一種不具備協(xié)議管理的點(diǎn)對點(diǎn)通信模式，可節約大量系統開(kāi)銷(xiāo)，故稱(chēng)之為低開(kāi)銷(xiāo)方式。它可以建立一種類(lèi)似于服務(wù)器/客戶(hù)機的通信機制，即服務(wù)端可以實(shí)時(shí)響應客戶(hù)端的數據請求，但它同樣缺乏握手安全機制。因此，如果客戶(hù)端連續發(fā)送兩次大批量數據，將會(huì )由于服務(wù)器來(lái)不及接收導致該兩批數據首尾發(fā)生沖突，故需加以改進(jìn)。LLA的服務(wù)器/客戶(hù)機通信機制是通過(guò)調用函數ql22laHookAttach（）在服務(wù)端設備一個(gè)掛鉤函數來(lái)實(shí)現的。每當客戶(hù)端向服務(wù)端發(fā)送數據，該掛鉤函數將會(huì )立刻自動(dòng)響應，因此，可以在掛鉤函數當設置VxWorks消息隊列，將接收幀緩存區中的數據取出。如下面的程序：

BOOL ql22LlaClientInputHook（）

{…

/*將緩存區數據發(fā)送到服務(wù)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據則是由于它具有消息自動(dòng)追加功能，可以保證數據在高速拷貝時(shí)不被覆蓋。當傳輸完畢后，服務(wù)端就可以將消息隊列當中的數據取出來(lái)進(jìn)一步處理?？蛻?hù)端則應當在每次發(fā)送數據完畢之后等待服務(wù)端的回答，首到得到確認之后才可以進(jìn)行下一步發(fā)送。因此，客戶(hù)端必須設備回復等待，這可以利用信號燈來(lái)實(shí)現。LLA具有很高的傳輸速率。根據測試，在實(shí)施了握手通信機制后，傳輸速率可達50Mb/s以上，而且實(shí)現，系統開(kāi)銷(xiāo)很小，適應于點(diǎn)對點(diǎn)的主機高速通信。

4 結論

本嵌入式系統復合通信模式具有多種通信接口，可適應不同的數據通信需要。同時(shí)，由于VxWorks高效的實(shí)時(shí)性以及強大的兼容性，使得復合通信的實(shí)現變得更加容易并且具有良好的實(shí)時(shí)性和安全性。通過(guò)實(shí)際運行，系統內部各個(gè)模塊運行穩定，軟件的模塊實(shí)時(shí)調度表示良好，經(jīng)長(cháng)時(shí)間的運行未發(fā)現通信阻塞。該復合通信模式可適用于工業(yè)控制、醫療等多方面，具有廣泛的適應性。