通用可靠的串口／以太網網關設計

圖5是RT-Thread及外圍組件的基本框架圖。RT-Thread的使用范圍極為靈活，可以從資源極度緊張的小型系統(tǒng)到帶內存管理單元、網絡功能的基本計算單元。RT-Thread有著高度可配置、易裁減、可擴展性好和可靠性高等特點，適用于嵌入式實時系統(tǒng)。
2. 1．2 Mini2440開發(fā)板
硬件平臺使用了Mini2440開發(fā)板，Mini2440是一款ARM9開發(fā)板，微處理器采用三星公司的S3C2440芯片，具有64 MB SDRAM、128 MB／256 MB／1 GB大小可選的NAND F1ash和2 MB NOR Flash，外設包括1個100M以太網RJ-45口(采用DM9000網卡)和3個串口等。
2．2 網關實現(xiàn)
2. 2．1 軟件相關
如圖2所示，系統(tǒng)使用了3個線程：串口接收線程、Socket發(fā)送線程和Socket接收線程，下面對這3個線程作具體介紹：
①串口接收線程。以阻塞的方式接收“UART_RX_IRQ_EVENT”事件，接收到此事件后，從串口環(huán)形接收緩沖中解析串口幀，當有數據幀需要向以太網發(fā)送時，便將該數據幀的首地址以郵件的方式給Socket發(fā)送線程。而在RT_Thread中，郵件的存儲方式本質是雙向循環(huán)隊列。
②Socket發(fā)送線程。以阻塞的方式接收來自串口接收線程的指針郵件，接收到此類郵件后，Socket發(fā)送線程將指針指向的數據封裝成Socket幀發(fā)送。
③Socket接收線程。用于從以太網接收數據，并緩存解析數據幀，調用串口發(fā)送接口函數，將收到的數據幀封裝成串口幀并插入串口發(fā)送隊列。
串口收／發(fā)工作于中斷方式，可以連續(xù)發(fā)送串口發(fā)送隊列中緩存的待發(fā)送幀和從串口接收字節(jié)數據并寫入串口的環(huán)形接收緩存。在接收到等于EFD的字節(jié)時，向串口接收線程發(fā)送一個“UART_RX_IRQ_EVENT”事件，通知串口接收線程環(huán)形緩存中可能存在一個完整的幀。
串口幀發(fā)送完畢后等待確認幀的時間計時使用了RT-Thrcad提供的定時器，并且在定時器的超時函數中處理幀重發(fā)問題。
在軟件實現(xiàn)過程中遇到了一個問題：在RT-Thread操作系統(tǒng)的中斷程序中不能申請和釋放動態(tài)內存，而串口中斷發(fā)送程序往發(fā)送完一個幀后，如果該幀是確認幀或非確認幀但達到了最大發(fā)送次數，那么需要從待發(fā)送隊列刪除該幀并釋放對應的動態(tài)內存。這就存在矛盾，系統(tǒng)小能提供中斷程序釋放內存的功能，但實際應用又需要此功能。
為此，程序中專門設置了一個刪除隊列，當中斷程序需要釋放發(fā)送幀時，將對應幀插入刪除隊列，并向串口接收線程發(fā)送一個刪除事件“UART_TX_DEL_EVENT”，在串口接收線程中接收到此事件后再來釋放隊列中的幀，這就避免了在串口發(fā)送中斷程序中直接釋放動態(tài)內存。
2．2．2 硬件相關
在硬件方面，為提高串口通信的可靠性，也做了相應處理。
S3C2440微處理器的串口具有兩種工作模式：非FIFO模式和FIFO模式。在FIFO模式中，串口發(fā)送和接收分別具有64字節(jié)的硬件FIFO緩沖，使用硬件緩沖，能顯著地減少串口發(fā)送和接收中斷產生的次數，進而減小止常程序被中斷的頻率，提高系統(tǒng)性能。并且使用接收FIFO后，在處理器不能及時跳轉到串口接收中斷程序的情況下，由于硬件FIFO的存在，使得串口數據丟失的可能性減小。所以，網關中S3C2440微處理器的串口使用了FIFO模式。
另外，S3C2440微處理器的串口還具有硬件自動流控制功能，當與網關相連的串口設備也具有硬件自動流控制功能時，開啟此功能。在開啟此功能的情況下，當通信的某一端不能及時讀取接收緩沖中的數據時，硬件自動流控制能自動暫停另一端串口的數據發(fā)送，以防止數據的丟失。
在網關的軟件實現(xiàn)中，確認機制的開關、確認超時時間、重發(fā)次數、隊列容量、緩沖的大小、串口的FIFO設置和硬件流控制的開關等都是可配置的，針塒不同的應用可以非常容易地做出合適的裁剪和設置。

結語
目前該網關被用于一個無線體溫監(jiān)測項目，以連接本地無線傳感網絡和遠程數據庫服務器，實現(xiàn)本地設備對遠程數據庫服務器的訪問，通過實際運行實驗，網關能很好地實現(xiàn)本文講述的功能。當然，網關仍然有不盡完善之處，比如對有些公共資源的訪問沒有提供競爭保護機制，可能會影響網關運行的穩(wěn)定性和可靠性，有待今后進一步完善。