嵌入式實時系統(tǒng)中跨平臺通信的實現(xiàn)

摘 要： 本文以套接字Socket為基礎(chǔ)，提出并設(shè)計了一種跨平臺嵌入式實時系統(tǒng)的通信模型，并根據(jù)這種模型給出了示范。 關(guān)鍵詞： 跨平臺；嵌入式實時系統(tǒng)；套接字 引言 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)正以前所未有的速度發(fā)展，并廣泛應(yīng)用到通信、軍事、航空、航天、工業(yè)控制等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。在這些領(lǐng)域中，迫切需要一個能夠讓日益增多的嵌入式設(shè)備相互通信的解決方案。同時，由于嵌入式系統(tǒng)的專用性強，在不同領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備往往使用不同的嵌入式實時操作系統(tǒng)。這樣就為構(gòu)建一個統(tǒng)一的通信平臺帶來了困難。本文介紹一個不同平臺下的嵌入式系統(tǒng)的通信實現(xiàn)方案。 設(shè)計目標(biāo) 靈巧性 完備的嵌入式系統(tǒng)大都具備嵌入式實時操作系統(tǒng)，絕大多數(shù)實時操作系統(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)實現(xiàn)簡單、可靈活增減。 實時性 實時系統(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)的實時性能，嵌入式實時系統(tǒng)的通信需要設(shè)計成多線程多任務(wù),確保每個通信請求都有單獨的線程來處理，這樣可以保證系統(tǒng)對通信的及時響應(yīng)。 穩(wěn)定性 嵌入式實時系統(tǒng)大都具備繁重的測量和運算任務(wù)。嵌入式實時系統(tǒng)同時運行大量任務(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)計中，需要把通信任務(wù)和實際的檢測控制任務(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時操作系統(tǒng)，能將不同實時操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。 實現(xiàn)方案 根據(jù)嵌入式實時系統(tǒng)不同平臺通信的特點，可以采用如下方案設(shè)計： 跨平臺通信 通信部分采用大多數(shù)實時操作系統(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，并在UNIX上得到成功應(yīng)用的進程通信機制，它提供進程間通信的端點。通信之前，進程雙方都創(chuàng)建一個端點，服務(wù)器端綁定一個固定的端口，客戶端則可以隨機的申請一個端口?？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)通過相互獨立的報文進行無序傳輸,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程或任務(wù)間的通信。命名管道有兩種實現(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，在客戶機與服務(wù)器之間流動。這意味著，對進程雙方來說，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，客戶機和服務(wù)器則通過一系列不連續(xù)的數(shù)據(jù)單位，進行數(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)存就是被多個進程共享的內(nèi)存。共享內(nèi)存方式是進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)存方式實現(xiàn)進程通信，需要注意進程間的同步問題。如果通信量不大的話，最簡單的方法就是對進程雙方給予不同權(quán)限（讀或?qū)懀@樣就可以省去復(fù)雜的同步機制。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。 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 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Socket地址 struct sockaddr_in serverAddr; //目標(biāo)通信機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); //本機提供通信的端口 serverAddr.sin_port = htons(HostPort); serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl (HostIP);//本機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 //返回數(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("\pipe\mypipe", O_RDWR,0); ......//相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換 } 結(jié)語 使用這種嵌入式實時系統(tǒng)的跨平臺通信方案，不但可以實現(xiàn)嵌入式設(shè)備異平臺的互聯(lián)互