EPA通信協(xié)議棧設計中的關(guān)鍵技術(shù)研究

1. 前言

在國家863計劃的連續滾動(dòng)支持下，重慶郵電大學(xué)作為核心單位參與制定了國家標準DD《用于工業(yè)測量與控制系統的EPA（Ethernet for plant automation）系統結構和通信標準》（簡(jiǎn)稱(chēng)“EPA標準”）。 由于工業(yè)現場(chǎng)設備的特殊要求，在EPA網(wǎng)絡(luò )上運行的協(xié)議棧必須穩定高效,這就需要我們不斷去探索好的優(yōu)化和實(shí)現方法。本文在分析了EPA網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)的基礎上，對EPA通信協(xié)議棧實(shí)現中的內存，時(shí)鐘管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了相應的實(shí)現方案。

2. EPA網(wǎng)絡(luò )

隨著(zhù)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(wèn)題帶來(lái)了希望，并使Ethernet全面應用于工業(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(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測）介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機制，因此具有通信“不確定性”的特點(diǎn)，并成為其應用于工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )的主要障礙。EPA是應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間通信的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，采用分段化系統結構和確定性通信調度控制策略，能夠適應工業(yè)現場(chǎng)特殊需要，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性的問(wèn)題，滿(mǎn)足了系統的實(shí)時(shí)性要求。

2.2 穩定性與可靠性

Ethernet進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問(wèn)題是，它所用的接插件、集線(xiàn)器、交換機和電纜等均是為商用領(lǐng)域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境來(lái)設計（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)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境中。而EPA做為應用于工業(yè)現場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )標準，穩定性與可靠性也是其必需的特點(diǎn)。

3. EPA協(xié)議中的內存管理

嵌入式系統軟件設計中采取的內存管理方案有兩種DD靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統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成本來(lái)保證嚴格實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合，而且靜態(tài)分配容易使系統失去靈活性?？紤]到EPA協(xié)議棧主要應用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設備中，所以我們在EPA協(xié)議棧設計中主要采用動(dòng)態(tài)內存管理方式。動(dòng)態(tài)內存管理機制在嵌入式軟件設計是難點(diǎn)，也是直接關(guān)系到整個(gè)系統性能的關(guān)鍵。

在EPA協(xié)議棧設計中，針對網(wǎng)絡(luò )部分和非網(wǎng)絡(luò )部分的內存需求，我們把整個(gè)系統內存分成報文緩沖區和通用緩沖區兩個(gè)不同的區域。先從系統申請固定大小的靜態(tài)內存做為報文緩沖區和通用緩沖區，在每塊內存區上定義自身的內存分配和回收算法，通過(guò)這種設計，能夠確保網(wǎng)絡(luò )系統不使用系統全部可用內存，應用程序也不會(huì )使用網(wǎng)絡(luò )已用內存，從而實(shí)現了內存區域隔離，也防止了協(xié)議棧耗盡所有系統內存，提高了系統的穩定性和可靠性。

3.1報文緩沖區

EPA協(xié)議中用戶(hù)數據從本地嵌入式設備傳輸到遠程設備的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)各層協(xié)議，對消息的封裝，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的內存區來(lái)存儲，傳遞數據的做法會(huì )有缺陷：例如當從上層向下層傳遞數據時(shí)，下層協(xié)議需要對數據進(jìn)行封裝，而上層在申請內存時(shí)不會(huì )考慮到下層的需要。這樣就會(huì )導致下層協(xié)議處理時(shí)需要重新申請內存并進(jìn)行內存拷貝，從而影響程序的效率。另外隨著(zhù)數據的逐層處理，其內容可能有所增刪，而連續內存很難處理這樣動(dòng)態(tài)的數據增刪。因此，必須要有一種能適應數據動(dòng)態(tài)增刪，而在邏輯上又呈現連續性的數據結構，以滿(mǎn)足各層之間的數據傳遞，而不是進(jìn)行內存拷貝。因此在EPA協(xié)議棧設計中采取的報文內存管理方案必須滿(mǎn)足以下要求：（1）適合存放不同長(cháng)度的數據。（2）方便地操作變長(cháng)緩存。（3）盡量減少為完成這些操作所做的數據拷貝。

綜合考慮系統效率和EPA網(wǎng)絡(luò )報文的特點(diǎn)，在EPA協(xié)議棧設計中，我們設計的每個(gè)緩沖塊的長(cháng)度固定，大小以滿(mǎn)足EPA網(wǎng)絡(luò )中的大多數報文的長(cháng)度為標準，這里我們設置每個(gè)緩沖塊的長(cháng)度為128字節，大于這個(gè)長(cháng)度的報文，就用多個(gè)緩沖塊形成的緩沖鏈來(lái)滿(mǎn)足。

EPA_BUFFER類(lèi)型的緩沖區是報文緩沖區，該結構包括兩個(gè)指針，兩個(gè)長(cháng)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中的數據起始位，tot_len域包括整個(gè)數據鏈的數據長(cháng)度，len域包含該緩沖塊中的數據長(cháng)度。EPA_BUFFER整個(gè)結構的大小取決域所使用的處理器體系結構中一個(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alignment的體系結構，整個(gè)的大小為16字節。一個(gè)EPA_BUFFER鏈，如圖1所示：

圖1. EPA_BUFFER鏈結構

緩沖區的操作函數：

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);

對報文緩沖區使用這種設計方法，能夠實(shí)現從中斷發(fā)送，到協(xié)議處理，用戶(hù)接收等整個(gè)過(guò)程中，數據只需要一次拷貝，減少了對數據空間需求（不用頻繁地進(jìn)行數據硬復制），從而提高了EPA協(xié)議處理地實(shí)時(shí)性。

3.2通用緩沖區

在EPA協(xié)議棧設計中，通用緩沖區管理的實(shí)現很簡(jiǎn)單，它分配和回收鄰近的內存區域并且調整已分配的內存塊。它使用系統中全部?jì)却娴奶囟▍^域， EPA_MEM類(lèi)型的緩沖區是通用緩沖區，主要滿(mǎn)足協(xié)議棧中與報文無(wú)關(guān)的內存需求。

在EPA_RAM內部，內存管理通過(guò)將一種小的結構放置在每一個(gè)被分配的內存塊的頂端上來(lái)追蹤分配的內存，這個(gè)結構（圖2）設置兩個(gè)指針指向內存中下一個(gè)和前一個(gè)分配塊，還有一個(gè)used標志用來(lái)指示這個(gè)內存塊是否已經(jīng)被分配。使用最先適用的原則，通過(guò)搜索一個(gè)未使用的內存塊來(lái)分配內存。當一個(gè)內存塊被釋放時(shí)，used標志被設為0，為了防止碎片，檢測下一個(gè)和上一個(gè)內存塊的used標志，如果它們還沒(méi)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結構

4. EPA協(xié)議中的時(shí)鐘管理

在EPA協(xié)議棧設計中，定時(shí)器的有效管理尤為重要，特別是在確定性調度實(shí)現方面，能不能對定時(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)方式的鏈表單隊列，這種組織管理方式會(huì )有一下兩個(gè)問(wèn)題：定時(shí)隊列太長(cháng)，找到所有到點(diǎn)定時(shí)器的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)難以接受；當定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)要對所有的定時(shí)器的時(shí)長(cháng)域進(jìn)行減法操作，該部分時(shí)間性開(kāi)銷(xiāo)也很大。另外，工業(yè)現場(chǎng)的嵌入式設備中，外設資源相對有限，為了使該協(xié)議棧能夠廣泛的應用于多種硬件平臺，我們使用一個(gè)硬件定時(shí)器為基準時(shí)鐘，然后在其基礎上設計了簡(jiǎn)單遞增時(shí)鐘隊列，以滿(mǎn)足EPA系統對確定性調度以及時(shí)間同步的要求。

在系統中，為每個(gè)任務(wù)分配申請一個(gè)簡(jiǎn)單相對遞增時(shí)鐘隊列，隊列中的定時(shí)節點(diǎn)按照定時(shí)時(shí)長(cháng)排列有序，時(shí)長(cháng)短的靠前，如圖3所示，定時(shí)節點(diǎn)1的時(shí)長(cháng)為5 ticks, 定時(shí)節點(diǎn)2的時(shí)長(cháng)為2ticks, 定時(shí)節點(diǎn)3的時(shí)長(cháng)為4ticks， 在隊列中，定時(shí)節點(diǎn)的時(shí)長(cháng)值改為相對前一定時(shí)節點(diǎn)時(shí)長(cháng)的差值，即相對時(shí)長(cháng)。當時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，只需對隊頭的時(shí)長(cháng)域進(jìn)行減1操作，所有的到點(diǎn)定時(shí)節點(diǎn)也均集中于隊列的前面。每個(gè)隊列中又可以有多個(gè)時(shí)鐘節點(diǎn)。邏輯時(shí)鐘隊列中，每個(gè)定時(shí)節點(diǎn)的數據結構如下所示:

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

struct timer_node{

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

u32 time; /* 定時(shí)時(shí)間 */

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

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

}

一個(gè)時(shí)鐘隊列如下圖所示：

圖 3 EPA時(shí)鐘隊列

邏輯時(shí)鐘隊列的處理函數有：

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)議棧設計中，利用此種定時(shí)隊列，能夠使用一個(gè)基準定時(shí)器就可以簡(jiǎn)單，有效的實(shí)現確定性調度和時(shí)間同步所需的定時(shí)功能。

5.結論

本協(xié)議棧設計采用標準C進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并在A(yíng)RM平臺上結合UCOS-II進(jìn)行了測試，測試結果表明：采用分類(lèi)鏈式內存管理和相對遞增時(shí)鐘隊列的內存和時(shí)鐘管理方法的EPA通信協(xié)議棧通信過(guò)程穩定，速度快。

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