嵌入式實(shí)時系統(tǒng)中跨平臺通信的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)目標(biāo)
靈巧性
完備的嵌入式系統(tǒng)大都具備嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，絕大多數(shù)實(shí)時操作系統(tǒng)都帶有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以構(gòu)建通信平臺。TCP/IP協(xié)議簇是目前使用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。當(dāng)前，基于TCP/IP的流行應(yīng)用，存在功能單一、消耗系統(tǒng)資源等問題。而嵌入式設(shè)備一般通信量不大，同時系統(tǒng)資源有限，不能支持大型的應(yīng)用。所以，嵌入式設(shè)備間的通信應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)簡單、可靈活增減。
實(shí)時性
實(shí)時系統(tǒng)要求系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)對外部事件給予響應(yīng)。但在不同應(yīng)用中，通信的嵌入式設(shè)備間的物理距離不同，使用的通信方式也不盡相同。通信延遲是影響實(shí)時系統(tǒng)的主要因素之一。在近距離通信中，可以采用高速通信線路，但是在遠(yuǎn)距離通信中，則通信線路的選擇余地較小。在低速通信線路中，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時性能，嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的通信需要設(shè)計(jì)成多線程多任務(wù),確保每個通信請求都有單獨(dú)的線程來處理，這樣可以保證系統(tǒng)對通信的及時響應(yīng)。
穩(wěn)定性
嵌入式實(shí)時系統(tǒng)大都具備繁重的測量和運(yùn)算任務(wù)。嵌入式實(shí)時系統(tǒng)同時運(yùn)行大量任務(wù)，不能保證系統(tǒng)永不出現(xiàn)問題，但通信任務(wù)不能受嵌入式設(shè)備本身任務(wù)的影響。因此，在設(shè)計(jì)中，需要把通信任務(wù)和實(shí)際的檢測控制任務(wù)分離。用一個專門的任務(wù)處理通信事件，同時設(shè)立一個緩沖區(qū)保證通信數(shù)據(jù)能夠被及時保存。
通用性
嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)種類繁多，目前尚無一種操作系統(tǒng)在嵌入式領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢。嵌入式設(shè)備的跨平臺通信必須能夠適用于各種常見的實(shí)時操作系統(tǒng)，能將不同實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

圖1 通信方案的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 嵌入式設(shè)備的通信流程

實(shí)現(xiàn)方案
根據(jù)嵌入式實(shí)時系統(tǒng)不同平臺通信的特點(diǎn)，可以采用如下方案設(shè)計(jì)：
跨平臺通信
通信部分采用大多數(shù)實(shí)時操作系統(tǒng)都支持的TCP/IP協(xié)議簇作為系統(tǒng)的基本協(xié)議。為了方便使用，采用基于TCP/IP的套接字。套接字是一種仿照電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在UNIX上得到成功應(yīng)用的進(jìn)程通信機(jī)制，它提供進(jìn)程間通信的端點(diǎn)。通信之前，進(jìn)程雙方都創(chuàng)建一個端點(diǎn)，服務(wù)器端綁定一個固定的端口，客戶端則可以隨機(jī)的申請一個端口?？蛻艨梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器的端口發(fā)送連接請求，服務(wù)器端接收到請求后允許客戶端的連接。這樣，服務(wù)器端和客戶端就建立了一個雙向的通信通道。
套接字分為三種類型：流套接字、數(shù)據(jù)包套接字、原始套接字。流套接字可以提供可靠的、面向連接的通信流,有固定的發(fā)送和接收順序，采用TCP和IP協(xié)議。數(shù)據(jù)包套接字是一種無連接的數(shù)據(jù)服務(wù),數(shù)據(jù)通過相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行無序傳輸,使用UDP和IP協(xié)議,它允許對底層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問。原始套接字雖然功能強(qiáng)大，但是使用較復(fù)雜，主要用于一些協(xié)議的開發(fā)和測試工作。
通信處理程序設(shè)計(jì)成多線程方式。一旦其它嵌入式設(shè)備發(fā)起連接就啟動一個線程或任務(wù)專門處理對外部嵌入式設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過解析確定數(shù)據(jù)的類別并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理函數(shù)。處理函數(shù)的多少可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定，這樣可以最大限度地利用有限的系統(tǒng)資源。
通信數(shù)據(jù)處理
利用命名管道或共享內(nèi)存技術(shù)，建立一個介于嵌入式設(shè)備實(shí)際任務(wù)和通信處理任務(wù)間的緩沖區(qū)。
如果通信中嵌入式設(shè)備需要連續(xù)數(shù)據(jù)交換，可以使用管道技術(shù)。命名管道支持單向和雙向進(jìn)程或任務(wù)間的通信。命名管道有兩種實(shí)現(xiàn)方式：字節(jié)模式和消息模式。在字節(jié)模式中，消息以一個連續(xù)的字節(jié)流的形式，在客戶機(jī)與服務(wù)器之間流動。這意味著，對進(jìn)程雙方來說，在任何一個特定的時間段內(nèi)，它們不能準(zhǔn)確知道有多少字節(jié)從管道中讀入或者寫入管道。在消息模式中，客戶機(jī)和服務(wù)器則通過一系列不連續(xù)的數(shù)據(jù)單位，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。每次在管道上發(fā)出了一條消息后，它必須作為一條完整的消息讀入。因此，消息模式比較適合通信任務(wù)和實(shí)時任務(wù)的數(shù)據(jù)交換。
如果通信中嵌入式設(shè)備只要瞬時數(shù)據(jù)交換，則可以采用共享內(nèi)存方式構(gòu)造緩沖區(qū)。簡單說地共享內(nèi)存就是被多個進(jìn)程共享的內(nèi)存。共享內(nèi)存方式是進(jìn)程間通信方法中最快的一種，它可以將信息直接映射到內(nèi)存中，省去了許多中間步驟。利用共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信，需要注意進(jìn)程間的同步問題。如果通信量不大的話，最簡單的方法就是對進(jìn)程雙方給予不同權(quán)限（讀或?qū)懀?，這樣就可以省去復(fù)雜的同步機(jī)制。通信方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，嵌入式設(shè)備間的通信流程如圖2所示。

部分代碼示例
下面給出在兩個常見的嵌入式設(shè)備操作系統(tǒng)下通信的實(shí)現(xiàn)代碼：
主動通信方代碼
主動通信方選擇WinCE為操作系統(tǒng)。WinCE與Windows2000都是使用WinSocket，因此編程方法基本相同。
#include "Winsock2.h"
#include "Windows.h"
WSADATA wsaData;//使用的WinSocket版本
//使用的通信協(xié)議標(biāo)志
struct protoent *ppe;
//待通信Socket的地址
struct sockaddr_in daddr;
//讀寫數(shù)據(jù)長度
DWORD cbRead=0,cbWritten=0;
BOOL fSuccess=false;//通信標(biāo)志
//通信程序
DWORD HostConnect(void)
{
//確定使用WinSocket的版本
WSAStartup(MAKEWORD (2,2),&wsaData );
//創(chuàng)建一個基于TCP的套接字
ppe=getprotobyname("tcp");
SOCKETClientSocket=socket (PF_INET,SOCK_STREAM,ppe->p_proto);
//連接一個套接字
//使用TCP協(xié)議
daddr.sin_family=AF_INET;
//設(shè)定待連接的端口
daddr.sin_port=htons(TargetPort); daddr.sin_addr.s_addr=inet_addr (TargetIPAddress);//設(shè)定待連接設(shè)備的IP地址
//連接目的嵌入式設(shè)備
if(connect(ClientSocket,(struct sockaddr *)&daddr,sizeof(daddr)))
{closesocket(ClientSocket);}
else
{
//發(fā)送消息
......//準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)
cbWritten=send(ClientSocket，SData,strlen(SD ata))，MSG_DONTROUTE);
//接收消息
do
{
cbRead=recv(ClientSocket，RData，50，MSG_PEEK);
if(cbRead>0) {fSuccess=true;}
}while(!fSuccess);
...... //數(shù)據(jù)處理
//關(guān)閉Socket
closesocket(ClientSocket)
}
return(0);
}
被動通信方代碼
被動通信方選擇VxWorks為操作系統(tǒng)。Linux與VxWorks都可以使用BSD Socket，因此編程方法基本相同。通信任務(wù)和實(shí)時任務(wù)的數(shù)據(jù)交換以管道方式為例。
#include "vxWorks.h"
#include "sockLib.h"
#include "inetLib.h"
#include "taskLib.h"
//本機(jī)Socket地址
struct sockaddr_in serverAddr;
//目標(biāo)通信機(jī)Socket地址
struct sockaddr_in clientAddr;
int sFd; //監(jiān)聽Socket描述苻
int newFd; //被連接Socket描述苻
int ix=0;//被連接的Socket數(shù)目
//啟動管道函數(shù)
void SetupPipe(void)
{
pipeDrv();//管道驅(qū)動
//管道建立
pipeDevCreate(“pipe mypipe”,20,40);
}
//主通信函數(shù)
void Server(void)
{
//使用TCP/IP協(xié)議
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_len = sizeof (struct sockaddr_in);
//本機(jī)提供通信的端口
serverAddr.sin_port = htons(HostPort);
serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl (HostIP);//本機(jī)IP地址
//創(chuàng)建Socket
sFd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//綁定Socket
bind (sFd, (struct sockaddr *) &serverAddr, sockAddrSize);
//監(jiān)聽Socket
listen (sFd, SERVER_MAX_CONNECTIONS);
//等待通信事件發(fā)生
FOREVER
{
newFd = accept (sFd, (struct sockaddr *) &clientAddr,&sockAddrSize);
sprintf (workName, "tTcpWork%d", ix++);
taskSpawn(workName, NORMAL_PRIORITY, 0, NORMAL_STACK_SIZE,(FUNCPTR) tcpCommunicateTask, newFd,(int) 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
}
}
//已連接的通信的處理函數(shù)
void tcpCommunicateTask(int sFd,)
{
do
{
//讀取數(shù)據(jù)
ReadBytes=recv(sFd,chRequest, sizeof(chRequest),MSG_PEEK);
if(ReadBytes == 0) break;
else RSuccess=true;
GetAnswerToRequest(chRequest, chReply,&ReplyBytes);//數(shù)據(jù)處理
//返回?cái)?shù)據(jù)
WriteBytes = send (sFd, chReply, ReplyBytes ,MSG_DONTROUTE);
if ( WriteBytes!= ReplyBytes) break;
else WSuccess=true;
}while(!(RSuccess && WSuccess));
//關(guān)閉Socket
close (sFd);
}
//處理數(shù)據(jù)函數(shù)
void GetAnswerToRequest(char * Request, char * Reply, int * ReplyBytes)
{
//打開管道（每個任務(wù)有不同的管道）
int fd=open("pipemypipe", O_RDWR,0);
......//相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換
}

結(jié)語
使用這種嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的跨平臺通信方案，不但可以實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備異平臺的互聯(lián)互通，而且給系統(tǒng)靈活組織帶來方便。多任務(wù)的處理方式以及通信任務(wù)的分離大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。作者據(jù)此方案建立的基于嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的效果。■

參考文獻(xiàn)
1 VxWorks(r) 5.4 Programmer's Guide. Wind River Inc， 1999.6
2 Anthony Jones. Network Programming for Microsoft Windows. Microsoft Press,1999
3 李卓桓等. Linux網(wǎng)絡(luò)編程. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2000.1