基于VxWorks的多路高速串口的通信方法設計

串口通信具有傳輸距離遠、傳輸穩(wěn)定、簡單實用等特點，已被廣泛應用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信等領域。在這些應用領域中，串口通信用于實時地從各個串口接收數(shù)據(jù)，而向各個串口發(fā)送的主要是控制信息，一般不要求嚴格的實時性。因此提高串口設備接收的實時性至關重要。

設備接收到數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可通過兩種途徑獲取數(shù)據(jù)包到達的信息。一種是中斷方式，利用硬件中斷機制實現(xiàn)設備和系統(tǒng)的應答對話，即當外部設備需要CPU處理數(shù)據(jù)時，設備就發(fā)一個中斷信號給系統(tǒng)，系統(tǒng)在收到中斷請求時要保存中斷現(xiàn)場，調用相應的中斷服務程序響應設備的中斷請求，退出中斷處理程序后要恢復現(xiàn)場。上下文的切換要占據(jù)系統(tǒng)開銷，在數(shù)據(jù)量過載時會使得中斷頻率過高，CPU忙于處理硬件中斷，上層應用程序對于數(shù)據(jù)包的處理無法執(zhí)行，而中斷程序還不斷往隊列中放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自陷在中斷響應這一環(huán)節(jié)，產(chǎn)生所謂的“活鎖”。另一種是輪詢方式，系統(tǒng)每隔一定時間便檢查一次物理設備，若設備“報告”有數(shù)據(jù)到達，則調用相應的處理程序。但固定的輪詢周期增加了數(shù)據(jù)等待處理時間，降低了系統(tǒng)實時性。而且當數(shù)據(jù)量比較小時，頻繁查詢沒有數(shù)據(jù)達到的設備也是對CPU資源的浪費。

可見中斷和輪詢方式都不能滿足不同負載情況下系統(tǒng)的實時性要求。本文借鑒Linux系統(tǒng)中NAPI[1]方法，結合中斷與輪詢的優(yōu)點，提出一種輪詢與中斷結合的調度方式。這種調度機制在多串口系統(tǒng)中，當負載在不同的串口通道不均衡時，可以提高CPU的利用效率，并能滿足業(yè)務的時延要求。另外，根據(jù)到達數(shù)據(jù)量分析得出了輪詢、中斷切換門限和輪詢周期。

1 算法描述

在同一系統(tǒng)中處理相同業(yè)務量時，中斷和輪詢處理的時間相同。因為過程相同，都是把數(shù)據(jù)從外設緩沖搬移到CPU內存中，所不同的是中斷進行上下文切換要占據(jù)系統(tǒng)開銷，而輪詢只是查詢一下寄存器狀態(tài)。相比之下，輪詢占用CPU的時間很短，一般中斷為幾個μs，輪詢?yōu)閹装賜s，根據(jù)不同系統(tǒng)而有差別。相反，在數(shù)據(jù)量比較小的情況下輪詢中存在空轉情況，無疑增加了系統(tǒng)開銷。

目前，處理中斷和輪詢互換的方法有定時中斷法(Clocked Interrupts)，即設置一個定時器，定時器到時，如果有中斷，則響應中斷，調用中斷服務程序處理數(shù)據(jù)。這種方法在數(shù)據(jù)量大時類似于輪詢，在負載小時中斷由異步事件觸發(fā)降低了開銷。但是這種機制需要一個精確的、頻率很高的系統(tǒng)時鐘，并且這種方法受固定定時周期的限制，不是在任何情況下都有效。

在并行系統(tǒng)中還應用了一種叫輪詢定時（Polling Watchdog)的機制，這種方法主要是為了解決接收處理中的等待時延問題。基本思想就是在輪詢接收開始時設置一個看門狗定時器，以滿足業(yè)務的最小時延要求，而且中斷要在接收超時才產(chǎn)生。此方法的不足之處是在負載小時解決不了輪詢空轉問題。

混合中斷、輪詢方式(HIP)主要應用在網(wǎng)絡接口系統(tǒng)中。工作方式為基于觀測接收的負載，改變切換門限，自動在中斷和輪詢兩種方式中切換。中斷方式?jīng)]有考慮到超時中斷，當數(shù)據(jù)到達間隔很大時，會降低實時性。在比較中斷和輪詢開銷時，定義VI+V(B)為中斷開銷，其中VI為中斷的固有開銷，V(B)為系統(tǒng)接收B字節(jié)數(shù)據(jù)的開銷，VP+V(B)為輪詢開銷，VP為輪詢的固有開銷。但在一次輪詢和中斷接收中，中斷和輪詢所接收的數(shù)據(jù)可能不相等，中斷開銷和輪詢開銷便失去了比較意義。

以上幾種方法均有不足，但在多路串口系統(tǒng)中，還各有不同的特點，即在每個獨立的通道可能存在不同的負載情況。如果對全部的串口通道統(tǒng)一應用中斷方式或查詢方式，則顯然不能適應各自串口通道的數(shù)據(jù)量，不能滿足系統(tǒng)實時性和高效率的綜合要求。根據(jù)這一特點，提出了在多路串口系統(tǒng)中，輪詢和中斷相結合的接收策略，在中斷方式下還靈活應用了批中斷技術。

算法描述：
com0=polling...comN=polling
For comID←0 up to comMAX
If TI>γ or PU=PUMAX Then
comID=interrupt
DelList(comID)

N路串口的初始狀態(tài)為輪詢，檢查輪詢隊列，如果數(shù)據(jù)到達間隔時間TI大于門限γ或者輪詢空轉次數(shù)PU等于空轉門限PUMAX，則該端口改為中斷狀態(tài)，在輪詢隊列中刪除該端口。根據(jù)不同的系統(tǒng)，間隔時間門限γ和空轉門限PUMAX的取值不同。

If TIγ Then
comID=polling
AddList(comID)

在中斷狀態(tài)下，如果數(shù)據(jù)到達間隔時間TI小于門限γ，則該端口改為輪詢狀態(tài)，在輪詢隊列中增加該端口。

2 門限設計

如果事件隨機發(fā)生而且發(fā)生頻率很低，以致大多數(shù)輪詢都認為事件沒有發(fā)生，則中斷就會是首選的事件通知機制；如果事件定期發(fā)生且可以預測，而大多數(shù)輪詢都發(fā)現(xiàn)事件已發(fā)生，則首選機制是輪詢。在這兩者之間存在這樣一種情況，即輪詢行為和反應型行為的效果都相同，在它們之間如何選擇都無關緊要。這種情況即為所尋找的輪詢和中斷的切換門限。

2.1 門限度量標準的選擇

數(shù)據(jù)多少的衡量都是以單位時間內的吞吐量計算，即數(shù)據(jù)速率。如果以吞吐率的多少作為切換門限的標準，則在分組定長情況下，這種計算方法可以近似體現(xiàn)出負載情況，但當分組不定長時就不能體現(xiàn)實際負載了，如圖1所示的四種情況。

圖1(a)和圖1(b)的分組長度不同，但之間的到達間隔都很小。計算得出圖1(b)單位時間的吞吐率明顯要比圖1(a)小，但如果圖1(b)采用中斷方式，就要頻繁地響應中斷，效率將大大降低。圖1(d)的分組很長，一次接收中接收到的數(shù)據(jù)非常多，但之間的到達間隔很長，如果計算吞吐率選擇的單位時間正好為數(shù)據(jù)接收時間，在這一段時間內吞吐率很大，則誤認為數(shù)據(jù)量很大，選擇輪詢方式接收。相比之下，圖1(c)和圖1(d)選用中斷方式更為理想。

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，用數(shù)據(jù)到達的時間間隔可以近似地表示數(shù)據(jù)量的大小。如果數(shù)據(jù)到達間隔很小，且頻繁到達，則認為負載很大，選擇輪詢方式；如果數(shù)據(jù)到達間隔很大，則認為負載很小，選擇中斷方式。在輪詢方式中，如果根據(jù)已知的到達時間，推算出下一數(shù)據(jù)的到達時間，根據(jù)計算出的結果來設定輪詢周期，則輪詢效率更加提升。

2.2 門限的計算

上述計算到達間隔判斷切換時機的方式，不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)到達間隔的變化規(guī)律?？蛇x用平均到達時間的均方根和均值的比值作為判斷切換的標準，這個比值系數(shù)代表了平均到達時間的變化程度。當比值小時表明預測的值與平均值偏差很小，數(shù)據(jù)到達的間隔時間是有規(guī)律的，可以預測。這種情況顯然要應用輪詢方式，把輪詢周期設為平均到達間隔時間。

平均到達間隔時間的計算方法如下式：

式中：D為最后一個數(shù)據(jù)到達的間隔時間；α為平均到達間隔時間的加權系數(shù)，α控制著D相對于以往的到達時間間隔歷史所占的比重。用這種方法，平均到達間隔時間就可以積累到達間隔時間了。

平均到達時間的方差用下式估計：

式中：β為到達間隔時間的方差加權系數(shù)，且控制估計器的記憶性。σ2開方就得到平均到達間隔時間的均方根σ了。
下式表明了切換到輪詢時的門限：

式中：γ為預測門限，為系統(tǒng)可容忍的最大輪詢周期，在本系統(tǒng)中為滿足上層的應用，為20 ms。表明數(shù)據(jù)到達間隔規(guī)律；表明平均到達間隔小于系統(tǒng)所能忍受的最小間隔。數(shù)據(jù)到達不頻繁，認為滿足以上兩個條件時切換到輪詢模式；當滿足的條件相反時，切換到中斷方式。

3 實例分析

在可接收10路空中信號的多串口系統(tǒng)中對該算法進行實現(xiàn)，系統(tǒng)結構如圖2。該系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)信息（主要為語音數(shù)據(jù)）接收后轉換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，通過10MHz以太網(wǎng)口送出。同時，它從以太網(wǎng)口接收來自控制臺的各類指令，完成相應的處理任務。