摘 要： 本文以套接字Socket 為基礎，提出并設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 當前嵌入式系統(tǒng)正以前所未有的速度發(fā)展，并廣泛應用到通信、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。當前微軟公司正大力開發(fā)用于工業(yè)領(lǐng)域的Windows CE 嵌入式平臺，作為工業(yè)控制領(lǐng)域的領(lǐng)導廠商，泓格積極倡導和順應這一趨勢，經(jīng)過兩年不懈地開發(fā)和測試，泓格于2003 年領(lǐng)先推出了基于Windows CE.NET 和RISC CPU 架構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)WinCon-8000 系列，并于2003 年10 月與微軟WEP 部門（Microsoft Windows Embedded Partner Program）正式建立了合作關(guān)系。這一充滿活力的產(chǎn)品一經(jīng)推出，就獲得了國內(nèi)各界專家的好評，并被浙江大學、華東理工大學等知名高校選作自動化等相關(guān)專業(yè)的試驗平臺。 本文介紹一個采用泓格科技（ICP DAS）的全系列產(chǎn)品實現(xiàn)不同平臺下的嵌入式系統(tǒng)的通信方案。 設計目標 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)絡協(xié)議棧，利用網(wǎng)絡協(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)絡通信協(xié)議。當前，基于TCP/IP 的流行應用，存在功能單一、消耗系統(tǒng)資源等問題。而嵌入式設備一般通信量不大，同時系統(tǒng)資源有限，不能支持大型的應用。所以，嵌入式設備間的通信應當實現(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。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(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(tǒng)對通信的及時響應。 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。嵌入式實時系統(tǒng)同時運行大量任務，不能保證系統(tǒng)永不出現(xiàn)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(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(chuàng)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。客戶可以通過網(wǎng)絡向服務器的端口發(fā)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(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,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。 通信處理程序設計成多線程方式。一旦其它嵌入式設備發(fā)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(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)入相應的處理函數(shù)。處理函數(shù)的多少可以根據(jù)實際應用確定，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備實際任務和通信處理任務間的緩沖區(qū)。 如果通信中嵌入式設備需要連續(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和實時任務的數(shù)據(jù)交換。 如果通信中嵌入式設備只要瞬時數(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?，這樣就可以省去復雜的同步機制。通信方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，嵌入式設備間的通信流程如圖2 所示。 [align=center] 圖1 通信方案的結(jié)構(gòu)框圖 圖2 嵌入式設備的通信流程[/align] 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(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(fā)送消息 ......//準備發(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。通信任務和實時任務的數(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（每個任務有不同的管道） int fd=open（"\pipe\mypipe", O_RDWR,0）; ......//相應的數(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。多任務的處理方式以及通信任務的分離大大提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。作者據(jù)此方案采用泓格科技（ICP DAS）的全系列產(chǎn)品包括PCI 和ISA 接口工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡和嵌入式控制系統(tǒng)WinCon-8000 系列等產(chǎn)品建立的基于嵌入式設備的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定，取得了良好的效果，當然這以泓格科技在中國提供及時、到位的服務及技術(shù)支持和質(zhì)量過硬的系列產(chǎn)品是分不開的。 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(wǎng)絡編程. 北京：機械工業(yè)出版社. 2000.1 4 李朝青.PC 機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù).北京:北京航空航天出版社.2000 5 原嵩，林滸.通用串行總線的原理及實現(xiàn). 小型微行計算機系統(tǒng).1999（5） 6 張洪潤，藍清華.單片機應用技術(shù)教程. 北京:清華大學出版社.1997