通用可靠的串口／以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

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(nèi)存管理單元、網(wǎng)絡(luò)功能的基本計(jì)算單元。RT-Thread有著高度可配置、易裁減、可擴(kuò)展性好和可靠性高等特點(diǎn)，適用于嵌入式實(shí)時(shí)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A(yù)RM9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(shè)包括1個(gè)100M以太網(wǎng)RJ-45口(采用DM9000網(wǎng)卡)和3個(gè)串口等。
2．2 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)
2. 2．1 軟件相關(guān)
如圖2所示，系統(tǒng)使用了3個(gè)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(gè)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(dāng)有數(shù)據(jù)幀需要向以太網(wǎng)發(fā)送時(shí)，便將該數(shù)據(jù)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(zhì)是雙向循環(huán)隊(duì)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(shù)據(jù)封裝成Socket幀發(fā)送。
③Socket接收線程。用于從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)，并緩存解析數(shù)據(jù)幀，調(diào)用串口發(fā)送接口函數(shù)，將收到的數(shù)據(jù)幀封裝成串口幀并插入串口發(fā)送隊(duì)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(duì)列中緩存的待發(fā)送幀和從串口接收字節(jié)數(shù)據(jù)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(shí)，向串口接收線程發(fā)送一個(gè)“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(gè)完整的幀。
串口幀發(fā)送完畢后等待確認(rèn)幀的時(shí)間計(jì)時(shí)使用了RT-Thrcad提供的定時(shí)器，并且在定時(shí)器的超時(shí)函數(shù)中處理幀重發(fā)問題。
在軟件實(shí)現(xiàn)過程中遇到了一個(gè)問題：在RT-Thread操作系統(tǒng)的中斷程序中不能申請和釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存，而串口中斷發(fā)送程序往發(fā)送完一個(gè)幀后，如果該幀是確認(rèn)幀或非確認(rèn)幀但達(dá)到了最大發(fā)送次數(shù)，那么需要從待發(fā)送隊(duì)列刪除該幀并釋放對應(yīng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。這就存在矛盾，系統(tǒng)小能提供中斷程序釋放內(nèi)存的功能，但實(shí)際應(yīng)用又需要此功能。
為此，程序中專門設(shè)置了一個(gè)刪除隊(duì)列，當(dāng)中斷程序需要釋放發(fā)送幀時(shí)，將對應(yīng)幀插入刪除隊(duì)列，并向串口接收線程發(fā)送一個(gè)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(duì)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(dòng)態(tài)內(nèi)存。
2．2．2 硬件相關(guān)
在硬件方面，為提高串口通信的可靠性，也做了相應(yīng)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(chǎn)生的次數(shù)，進(jìn)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(shí)跳轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)丟失的可能性減小。所以，網(wǎng)關(guān)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(dòng)流控制功能，當(dāng)與網(wǎng)關(guān)相連的串口設(shè)備也具有硬件自動(dòng)流控制功能時(shí)，開啟此功能。在開啟此功能的情況下，當(dāng)通信的某一端不能及時(shí)讀取接收緩沖中的數(shù)據(jù)時(shí)，硬件自動(dòng)流控制能自動(dòng)暫停另一端串口的數(shù)據(jù)發(fā)送，以防止數(shù)據(jù)的丟失。
在網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)中，確認(rèn)機(jī)制的開關(guān)、確認(rèn)超時(shí)時(shí)間、重發(fā)次數(shù)、隊(duì)列容量、緩沖的大小、串口的FIFO設(shè)置和硬件流控制的開關(guān)等都是可配置的，針塒不同的應(yīng)用可以非常容易地做出合適的裁剪和設(shè)置。

結(jié)語
目前該網(wǎng)關(guān)被用于一個(gè)無線體溫監(jiān)測項(xiàng)目，以連接本地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的訪問，通過實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)關(guān)能很好地實(shí)現(xiàn)本文講述的功能。當(dāng)然，網(wǎng)關(guān)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(hù)機(jī)制，可能會(huì)影響網(wǎng)關(guān)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，有待今后進(jìn)一步完善。