嵌入式實時系統中跨平臺通信的實現

設計目標
靈巧性
完備的嵌入式系統大都具備嵌入式實時操作系統，絕大多數實時操作系統都帶有網絡協議棧，利用網絡協議就可以構建通信平臺。TCP/IP協議簇是目前使用最廣泛的一種網絡通信協議。當前，基于TCP/IP的流行應用，存在功能單一、消耗系統資源等問題。而嵌入式設備一般通信量不大，同時系統資源有限，不能支持大型的應用。所以，嵌入式設備間的通信應當實現簡單、可靈活增減。
實時性
實時系統要求系統能夠在規定的時間內對外部事件給予響應。但在不同應用中，通信的嵌入式設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，為了提高系統的實時性能，嵌入式實時系統的通信需要設計成多線程多任務,確保每個通信請求都有單獨的線程來處理，這樣可以保證系統對通信的及時響應。
穩定性
嵌入式實時系統大都具備繁重的測量和運算任務。嵌入式實時系統同時運行大量任務，不能保證系統永不出現問題，但通信任務不能受嵌入式設備本身任務的影響。因此，在設計中，需要把通信任務和實際的檢測控制任務分離。用一個專門的任務處理通信事件，同時設立一個緩沖區保證通信數據能夠被及時保存。
通用性
嵌入式實時操作系統種類繁多，目前尚無一種操作系統在嵌入式領域占絕對優勢。嵌入式設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，能將不同實時操作系統的嵌入式設備聯網。

圖1 通信方案的結構框圖

圖2 嵌入式設備的通信流程

實現方案
根據嵌入式實時系統不同平臺通信的特點，可以采用如下方案設計：
跨平臺通信
通信部分采用大多數實時操作系統都支持的TCP/IP協議簇作為系統的基本協議。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設計，并在UNIX上得到成功應用的進程通信機制，它提供進程間通信的端點。通信之前，進程雙方都創建一個端點，服務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^網絡向服務器的端口發送連接請求，服務器端接收到請求后允許客戶端的連接。這樣，服務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、數據包套接字、原始套接字。流套接字可以提供可靠的、面向連接的通信流,有固定的發送和接收順序，采用TCP和IP協議。數據包套接字是一種無連接的數據服務,數據通過相互獨立的報文進行無序傳輸,使用UDP和IP協議,它允許對底層協議如IP或ICMP直接訪問。原始套接字雖然功能強大，但是使用較復雜，主要用于一些協議的開發和測試工作。
通信處理程序設計成多線程方式。一旦其它嵌入式設備發起連接就啟動一個線程或任務專門處理對外部嵌入式設備發送過來的數據，通過解析確定數據的類別并轉入相應的處理函數。處理函數的多少可以根據實際應用確定，這樣可以最大限度地利用有限的系統資源。
通信數據處理
利用命名管道或共享內存技術，建立一個介于嵌入式設備實際任務和通信處理任務間的緩沖區。
如果通信中嵌入式設備需要連續數據交換，可以使用管道技術。命名管道支持單向和雙向進程或任務間的通信。命名管道有兩種實現方式：字節模式和消息模式。在字節模式中，消息以一個連續的字節流的形式，在客戶機與服務器之間流動。這意味著，對進程雙方來說，在任何一個特定的時間段內，它們不能準確知道有多少字節從管道中讀入或者寫入管道。在消息模式中，客戶機和服務器則通過一系列不連續的數據單位，進行數據的收發。每次在管道上發出了一條消息后，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和實時任務的數據交換。
如果通信中嵌入式設備只要瞬時數據交換，則可以采用共享內存方式構造緩沖區。簡單說地共享內存就是被多個進程共享的內存。共享內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存中，省去了許多中間步驟。利用共享內存方式實現進程通信，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限（讀或寫），這樣就可以省去復雜的同步機制。通信方案的結構框圖如圖1所示，嵌入式設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備操作系統下通信的實現代碼：
主動通信方代碼
主動通信方選擇WinCE為操作系統。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
//使用的通信協議標志
struct protoent *ppe;
//待通信Socket的地址
struct sockaddr_in daddr;
//讀寫數據長度
DWORD cbRead=0,cbWritten=0;
BOOL fSuccess=false;//通信標志
//通信程序
DWORD HostConnect(void)
{
//確定使用WinSocket的版本
WSAStartup(MAKEWORD (2,2),&wsaData );
//創建一個基于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協議
daddr.sin_family=AF_INET;
//設定待連接的端口
daddr.sin_port=htons(TargetPort); daddr.sin_addr.s_addr=inet_addr (TargetIPAddress);//設定待連接設備的IP地址
//連接目的嵌入式設備
if(connect(ClientSocket,(struct sockaddr *)&daddr,sizeof(daddr)))
{closesocket(ClientSocket);}
else
{
//發送消息
......//準備發送的數據
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);
...... //數據處理
//關閉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。Linux與VxWorks都可以使用BSD Socket，因此編程方法基本相同。通信任務和實時任務的數據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;
//目標通信機Socket地址
struct sockaddr_in clientAddr;
int sFd; //監聽Socket描述苻
int newFd; //被連接Socket描述苻
int ix=0;//被連接的Socket數目
//啟動管道函數
void SetupPipe(void)
{
pipeDrv();//管道驅動
//管道建立
pipeDevCreate(“pipe mypipe”,20,40);
}
//主通信函數
void Server(void)
{
//使用TCP/IP協議
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
//創建Socket
sFd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//綁定Socket
bind (sFd, (struct sockaddr *) &serverAddr, sockAddrSize);
//監聽Socket
listen (sFd, SERVER_MAX_CONNECTIONS);
//等待通信事件發生
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
void tcpCommunicateTask(int sFd,)
{
do
{
//讀取數據
ReadBytes=recv(sFd,chRequest, sizeof(chRequest),MSG_PEEK);
if(ReadBytes == 0) break;
else RSuccess=true;
GetAnswerToRequest(chRequest, chReply,&ReplyBytes);//數據處理
//返回數據
WriteBytes = send (sFd, chReply, ReplyBytes ,MSG_DONTROUTE);
if ( WriteBytes!= ReplyBytes) break;
else WSuccess=true;
}while(!(RSuccess && WSuccess));
//關閉Socket
close (sFd);
}
//處理數據函數
void GetAnswerToRequest(char * Request, char * Reply, int * ReplyBytes)
{
//打開管道（每個任務有不同的管道）
int fd=open("pipemypipe", O_RDWR,0);
......//相應的數據交換
}

結語
使用這種嵌入式實時系統的跨平臺通信方案，不但可以實現嵌入式設備異平臺的互聯互通，而且給系統靈活組織帶來方便。多任務的處理方式以及通信任務的分離大大提高了系統的實時性和穩定性。作者據此方案建立的基于嵌入式設備的遠程數據采集系統運行穩定，取得了良好的效果?！?/P>

參考文獻
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網絡編程. 北京：機械工業出版社. 2000.1