中國最好的嵌入式培訓學校_淺談嵌入式系統(tǒng)中網(wǎng)絡通信模塊的實現(xiàn)

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中國最好的嵌入式培訓學校_淺談嵌入式系統(tǒng)中網(wǎng)絡通信模塊的實現(xiàn),   

  



嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

1. VxWorks中的網(wǎng)絡通信原理

1.1 VxWorks的網(wǎng)絡協(xié)議

VxWorks 是美國 Wind River System 公司（ 以下簡稱風河 公司 ，即 WRS 公司）推出的一個實時操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實時操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，類似Microsoft Visual C，但是提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。它提供了對其它VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP 網(wǎng)絡系統(tǒng)的“透明“訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調(diào)用（RPC），SNMP（可選項），遠程文件訪問（包括客戶端和服務端的NFS機制以及使用RSH，F(xiàn)TP 或 TFTP的非NFS機制）以及BOOTP 和代理ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP。無論是松耦合的串行線路、標準的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內(nèi)存的背板總線，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡機制都遵循標準的 Internet 協(xié)議。

在傳輸媒介上，VxWorks使用TCP/IP和UDP/IP協(xié)議作為VxWorks進程與其他主機環(huán)境進程之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ摺�VxWorks的所有網(wǎng)絡機制都遵循標準的Internet協(xié)議。在以太網(wǎng)協(xié)議之上，VxWorks提供了以下幾種網(wǎng)絡工具：套接字（socket）；遠程過程調(diào)用（Remote Procedure Calls）；遠程文件存取（Remote File Access）；文件輸出（File Export）；遠程命令執(zhí)行。

1.2 VxWorks中的Socket接口

本文網(wǎng)絡通訊接口是基于套接字（socket）來實現(xiàn)的。利用套接字，無論是單一CPU中的不同進程，還是通過共享內(nèi)存底板，以太網(wǎng)或任何類型的網(wǎng)絡連接的進程都可以實現(xiàn)通信。套接字是與網(wǎng)絡節(jié)點的UDP或TCP端口捆綁在一起的通信接口。VxWorks實現(xiàn)了標準的BSD流套接字和數(shù)據(jù)報套接字。socket接口增加了網(wǎng)絡通信操作的抽象定義，與文件操作一樣，每個打開的socket都對應一個整數(shù)，稱之為socket描述符。

1.3客戶/服務器編程模式

網(wǎng)絡編程一般采用客戶/服務器（Client/Server）模式。服務器端有一個或多個任務在指定的端口等待來自客戶端的連接請求，一旦連接成功，即可按約定的數(shù)據(jù)交換方法和格式進行數(shù)據(jù)傳輸。在C/S編程模式下，網(wǎng)絡應用程序可分為客戶端程序和服務器端程序。

客戶端程序是指發(fā)出用戶請求的程序，它需要知道服務端的地址，提供服務的端口號，服務所用的傳輸層協(xié)議類型。服務器端程序是提供服務的一方，它偵聽某個端口，等待來自客戶端的請求消息。在程序結(jié)構上，服務端程序可使用循環(huán)模式和并發(fā)模式。循環(huán)模式是指程序結(jié)構總體上是一個循環(huán)，一次處理一個請求。并發(fā)模式是指服務端程序可同時處理多個請求，結(jié)構上一般采用父進程接受請求，然后產(chǎn)生子進程來處理請求。

2.基于socket的C/S編程模式的嵌入式系統(tǒng)應用實例

2.1嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構

本嵌入式系統(tǒng)作為一個整機系統(tǒng)的子系統(tǒng)運行于VME總線的VME處理器上。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。系統(tǒng)結(jié)構意圖如圖1所示。

  

圖1：板卡驅(qū)動程序示意圖

硬件板卡主要由DSP子系統(tǒng)組成，它接收外部傳感器信息，控制執(zhí)行器實現(xiàn)目標功能。DpRAM模塊是VME處理器和硬件板卡之間共享的雙端口RAM。板卡驅(qū)動程序的目的是提供一系列接口函數(shù)，對用戶屏蔽掉硬件板卡的硬件細節(jié)。其主要任務是分發(fā)硬件板卡命令，傳遞命令伴隨的I/O參數(shù)。

2.2網(wǎng)絡中間件

根據(jù)上面介紹的VxWorks中的網(wǎng)絡通信原理，我們開發(fā)了一個用于分布式系統(tǒng)上的任務/進程之間的通信模塊CX。本文中CX公共模塊采用的是基于TCP協(xié)議的流套接字和阻塞模式，其中TCP協(xié)議是一種面向連接的通信方式，提供了有序的、無重復并且無記錄邊界的數(shù)據(jù)流服務，同時流量和擁塞控制以及傳輸數(shù)據(jù)校驗保證了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量；阻塞模式節(jié)約資源。

系統(tǒng)中CX的作用類似于網(wǎng)絡中間件，它將VxWorks中socket編程接口封裝成進程間通信的統(tǒng)一接口，從而屏蔽掉底層的通信細節(jié)，調(diào)用者不需要具備socket通信的技能就能直接調(diào)用CX接口函數(shù)進行通信。在實際整機系統(tǒng)中，許多不同任務駐留在不同的CPU處理器上，即使同一處理器上由于任務的進一步劃分，子任務之間也存在進程之間的通訊。不管通信的實體（任務/進程）在同一CPU上，還是不同CPU上，都能夠直接以邏輯地址（CX Address） 利用CX公共通訊模塊來進行通信，CX模塊主要提供了如表1的功能：

  

本文中CX公共模塊在設計過程中對以下各方面也進行了兼顧：

1、CX傳送數(shù)據(jù)的實時性保證：網(wǎng)絡中間件針對所有接收函數(shù)都提供有timeout的功能，這樣既避免了client掛起而接收不到回應消息；

2、CX的重發(fā)機制：當一個server沒有偵聽到請求時，client可以多次向server重發(fā)請求，重發(fā)間隔時間由調(diào)用者自己設定；

3、CX支持阻塞模式：使用select機制來同步多路I/O復用。允許client從多個server等待回應。server同樣也可以使用這樣的機制來等待請求消息，或從其它server處等待回應消息；

4、CX的監(jiān)視機制：提供單獨的進程來監(jiān)視host的狀態(tài)，一旦某個host不可訪問就會產(chǎn)生錯誤或警告信息。

2.3網(wǎng)絡中間件的實例

int CXc_send（const CX_serv serv_addr, const void *msg, int len, int retry_interval ）

{

int serv_num;

int result;

//檢查調(diào)用CX的任務是否已向CX注冊，CX是否在本地host上初始化

if（（！CX_TaskInitialized）||（！CXs_CXisInitialized（）））

{ result = CX_NOT_INITIALIZED; }

//參數(shù)檢查

else if（（len <= 0）||（len>CX_MaxMsgSize））

{ result = CX_ILLEGAL_MSG_LEN; }

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{ //將server地址轉(zhuǎn)換為server號

result=ServAddr2Num（serv_addr, &serv_num ）；

if（result == OK）

{ //發(fā)送請求消息

result = CXclient_send（ serv_num, msg, len, retry_interval ）；

}

}

return result;

}

int CXclient_send（ int serv_num, const void *msg, int len, int retry_interval ）

{

int result;

result = CX_CONN_RESET;

while（result == CX_CONN_RESET）

{

//檢查cliet是否還與server保持連接，如果沒有則建立連接

if（！CXclient_IsStillConnectedTo（serv_num））

{ result = CXc_Connect（serv_num, retry_interval）；

if（result != OK）

{ return result; }

}

//向server發(fā)送消息

Result = CXFD_WriteMsg（Client_Admin[serv_num].cl_write_fd, msg, len）；

//如果沒有發(fā)送成功，則返回錯誤碼，并修改client相應的項目

if（result == CX_CONN_RESET）

{ Client_Admin[serv_num].cl_is_connected = FALSE; }

}

return result;

}

2.4基于網(wǎng)絡中間件的板卡驅(qū)動程序

板卡驅(qū)動的軟件結(jié)構采用C/S（Client/Server）模式，客戶端和服務器通過CX模塊通信。Client發(fā)送請求消息到指定的server，server從client接收請求消息，執(zhí)行請求的動作，發(fā)送一個包含請求動作執(zhí)行結(jié)果的消息給發(fā)送請求的client。板卡驅(qū)動的軟件結(jié)構示意圖如圖2所示。

  

圖2：板卡驅(qū)動軟件結(jié)構示意圖

板卡驅(qū)動的外部接口函數(shù)ILDXA_xxx以庫文件的形式提供給用戶，作為請求服務的客戶端。用戶通過調(diào)用這些接口函數(shù)向服務器端發(fā)送請求。

請求發(fā)送成功后，客戶端調(diào)用接收返回消息的函數(shù)來接收服務端返回消息：CXc_recv。

服務器端則通過一個無限循環(huán)的進程等待來自客戶的請求消息，接收請求消息的接口函數(shù)是：CXs_recv。

服務器端接收到請求消息后調(diào)用相應的處理函數(shù)來處理傳遞過來的命令和參數(shù)，并繼續(xù)等待下一個請求。當命令執(zhí)行完后，外部中斷信號會中斷服務器端處理器。

3結(jié)束語

VxWorks是一種高效的多任務的嵌入式實時操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡是VxWorks系統(tǒng)之間以及與其他系統(tǒng)通信的主要方式。VxWorks 提供了一個快速靈活的與 ANSI C 兼容的 I/O 系統(tǒng)，包括 UNIX 標準的Basic I/O（creat（）， remove（）， open（），close（）， read（）， write（）， and ioctl（）。），Buffer I/O （fopen（）， fclose（）， fread（）， fwrite（）， getc（）， putc（）） 以及POSIX 標準的異步 I/O。VxWorks 包括以下驅(qū)動程序：網(wǎng)絡驅(qū)動、管道驅(qū)動、RAM盤驅(qū)動、SCSI驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、顯示驅(qū)動、磁盤驅(qū)動、并口驅(qū)動等 ?本文討論了VxWorks中網(wǎng)絡通信的關鍵技術，其創(chuàng)新點在于：利用這種基于socket的面向連接的網(wǎng)絡通信機制，開發(fā)了普適于整機系統(tǒng)通訊的公共模塊-CX網(wǎng)絡中間件，具體到該嵌入式分系統(tǒng)應用中實現(xiàn)了上位機與硬件板卡的實時通信，取得了良好的效果。



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