怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)基于VxWorks的多路高速串口的通信方法？

串口通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸穩(wěn)定、簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，串口通信用于實(shí)時(shí)地從各個(gè)串口接收數(shù)據(jù)，而向各個(gè)串口發(fā)送的主要是控制信息，一般不要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性。因此提高串口設(shè)備接收的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。

設(shè)備接收到數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)兩種途徑獲取數(shù)據(jù)包到達(dá)的信息。一種是中斷方式，利用硬件中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)答對(duì)話(huà)，即當(dāng)外部設(shè)備需要CPU處理數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備就發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)給系統(tǒng)，系統(tǒng)在收到中斷請(qǐng)求時(shí)要保存中斷現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序響應(yīng)設(shè)備的中斷請(qǐng)求，退出中斷處理程序后要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。上下文的切換要占據(jù)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，在數(shù)據(jù)量過(guò)載時(shí)會(huì)使得中斷頻率過(guò)高，CPU忙于處理硬件中斷，上層應(yīng)用程序?qū)τ跀?shù)據(jù)包的處理無(wú)法執(zhí)行，而中斷程序還不斷往隊(duì)列中放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自陷在中斷響應(yīng)這一環(huán)節(jié)，產(chǎn)生所謂的“活鎖”。另一種是輪詢(xún)方式，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間便檢查一次物理設(shè)備，若設(shè)備“報(bào)告”有數(shù)據(jù)到達(dá)，則調(diào)用相應(yīng)的處理程序。但固定的輪詢(xún)周期增加了數(shù)據(jù)等待處理時(shí)間，降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。而且當(dāng)數(shù)據(jù)量比較小時(shí)，頻繁查詢(xún)沒(méi)有數(shù)據(jù)達(dá)到的設(shè)備也是對(duì)CPU資源的浪費(fèi)。

可見(jiàn)中斷和輪詢(xún)方式都不能滿(mǎn)足不同負(fù)載情況下系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。本文借鑒Linux系統(tǒng)中NAPI［1］方法，結(jié)合中斷與輪詢(xún)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種輪詢(xún)與中斷結(jié)合的調(diào)度方式。這種調(diào)度機(jī)制在多串口系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載在不同的串口通道不均衡時(shí)，可以提高CPU的利用效率，并能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。另外，根據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)量分析得出了輪詢(xún)、中斷切換門(mén)限和輪詢(xún)周期。

1 算法描述

在同一系統(tǒng)中處理相同業(yè)務(wù)量時(shí)，中斷和輪詢(xún)處理的時(shí)間相同。因?yàn)檫^(guò)程相同，都是把數(shù)據(jù)從外設(shè)緩沖搬移到CPU內(nèi)存中，所不同的是中斷進(jìn)行上下文切換要占據(jù)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，而輪詢(xún)只是查詢(xún)一下寄存器狀態(tài)。相比之下，輪詢(xún)占用CPU的時(shí)間很短，一般中斷為幾個(gè)μs，輪詢(xún)?yōu)閹装賜s，根據(jù)不同系統(tǒng)而有差別。相反，在數(shù)據(jù)量比較小的情況下輪詢(xún)中存在空轉(zhuǎn)情況，無(wú)疑增加了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

目前，處理中斷和輪詢(xún)互換的方法有定時(shí)中斷法（Clocked Interrupts），即設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器到時(shí)，如果有中斷，則響應(yīng)中斷，調(diào)用中斷服務(wù)程序處理數(shù)據(jù)。這種方法在數(shù)據(jù)量大時(shí)類(lèi)似于輪詢(xún)，在負(fù)載小時(shí)中斷由異步事件觸發(fā)降低了開(kāi)銷(xiāo)。但是這種機(jī)制需要一個(gè)精確的、頻率很高的系統(tǒng)時(shí)鐘，并且這種方法受固定定時(shí)周期的限制，不是在任何情況下都有效。

在并行系統(tǒng)中還應(yīng)用了一種叫輪詢(xún)定時(shí)（Polling Watchdog）的機(jī)制，這種方法主要是為了解決接收處理中的等待時(shí)延問(wèn)題?；舅枷刖褪窃谳喸?xún)接收開(kāi)始時(shí)設(shè)置一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的最小時(shí)延要求，而且中斷要在接收超時(shí)才產(chǎn)生。此方法的不足之處是在負(fù)載小時(shí)解決不了輪詢(xún)空轉(zhuǎn)問(wèn)題。

混合中斷、輪詢(xún)方式（HIP）主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)中。工作方式為基于觀測(cè)接收的負(fù)載，改變切換門(mén)限，自動(dòng)在中斷和輪詢(xún)兩種方式中切換。中斷方式?jīng)]有考慮到超時(shí)中斷，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)間隔很大時(shí)，會(huì)降低實(shí)時(shí)性。在比較中斷和輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，定義VI+V（B）為中斷開(kāi)銷(xiāo)，其中VI為中斷的固有開(kāi)銷(xiāo)，V（B）為系統(tǒng)接收B字節(jié)數(shù)據(jù)的開(kāi)銷(xiāo)，VP+V（B）為輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)，VP為輪詢(xún)的固有開(kāi)銷(xiāo)。但在一次輪詢(xún)和中斷接收中，中斷和輪詢(xún)所接收的數(shù)據(jù)可能不相等，中斷開(kāi)銷(xiāo)和輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)便失去了比較意義。

以上幾種方法均有不足，但在多路串口系統(tǒng)中，還各有不同的特點(diǎn)，即在每個(gè)獨(dú)立的通道可能存在不同的負(fù)載情況。如果對(duì)全部的串口通道統(tǒng)一應(yīng)用中斷方式或查詢(xún)方式，則顯然不能適應(yīng)各自串口通道的數(shù)據(jù)量，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和高效率的綜合要求。根據(jù)這一特點(diǎn)，提出了在多路串口系統(tǒng)中，輪詢(xún)和中斷相結(jié)合的接收策略，在中斷方式下還靈活應(yīng)用了批中斷技術(shù)。

算法描述：

com0=polling.。.comN=polling

For comID←0 up to comMAX

If TI》γ or PU=PUMAX Then

comID=interrupt

DelList（comID）

N路串口的初始狀態(tài)為輪詢(xún)，檢查輪詢(xún)隊(duì)列，如果數(shù)據(jù)到達(dá)間隔時(shí)間TI大于門(mén)限γ或者輪詢(xún)空轉(zhuǎn)次數(shù)PU等于空轉(zhuǎn)門(mén)限PUMAX，則該端口改為中斷狀態(tài)，在輪詢(xún)隊(duì)列中刪除該端口。根據(jù)不同的系統(tǒng)，間隔時(shí)間門(mén)限γ和空轉(zhuǎn)門(mén)限PUMAX的取值不同。

If TI《γ Then

comID=polling

AddList（comID）

在中斷狀態(tài)下，如果數(shù)據(jù)到達(dá)間隔時(shí)間TI小于門(mén)限γ，則該端口改為輪詢(xún)狀態(tài)，在輪詢(xún)隊(duì)列中增加該端口。

2 門(mén)限設(shè)計(jì)

如果事件隨機(jī)發(fā)生而且發(fā)生頻率很低，以致大多數(shù)輪詢(xún)都認(rèn)為事件沒(méi)有發(fā)生，則中斷就會(huì)是首選的事件通知機(jī)制；如果事件定期發(fā)生且可以預(yù)測(cè)，而大多數(shù)輪詢(xún)都發(fā)現(xiàn)事件已發(fā)生，則首選機(jī)制是輪詢(xún)。在這兩者之間存在這樣一種情況，即輪詢(xún)行為和反應(yīng)型行為的效果都相同，在它們之間如何選擇都無(wú)關(guān)緊要。這種情況即為所尋找的輪詢(xún)和中斷的切換門(mén)限。

2.1 門(mén)限度量標(biāo)準(zhǔn)的選擇

數(shù)據(jù)多少的衡量都是以單位時(shí)間內(nèi)的吞吐量計(jì)算，即數(shù)據(jù)速率。如果以吞吐率的多少作為切換門(mén)限的標(biāo)準(zhǔn)，則在分組定長(zhǎng)情況下，這種計(jì)算方法可以近似體現(xiàn)出負(fù)載情況，但當(dāng)分組不定長(zhǎng)時(shí)就不能體現(xiàn)實(shí)際負(fù)載了，如圖1所示的四種情況。

圖1（a）和圖1（b）的分組長(zhǎng)度不同，但之間的到達(dá)間隔都很小。計(jì)算得出圖1（b）單位時(shí)間的吞吐率明顯要比圖1（a）小，但如果圖1（b）采用中斷方式，就要頻繁地響應(yīng)中斷，效率將大大降低。圖1（d）的分組很長(zhǎng)，一次接收中接收到的數(shù)據(jù)非常多，但之間的到達(dá)間隔很長(zhǎng)，如果計(jì)算吞吐率選擇的單位時(shí)間正好為數(shù)據(jù)接收時(shí)間，在這一段時(shí)間內(nèi)吞吐率很大，則誤認(rèn)為數(shù)據(jù)量很大，選擇輪詢(xún)方式接收。相比之下，圖1（c）和圖1（d）選用中斷方式更為理想。

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，用數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間間隔可以近似地表示數(shù)據(jù)量的大小。如果數(shù)據(jù)到達(dá)間隔很小，且頻繁到達(dá)，則認(rèn)為負(fù)載很大，選擇輪詢(xún)方式；如果數(shù)據(jù)到達(dá)間隔很大，則認(rèn)為負(fù)載很小，選擇中斷方式。在輪詢(xún)方式中，如果根據(jù)已知的到達(dá)時(shí)間，推算出下一數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間，根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果來(lái)設(shè)定輪詢(xún)周期，則輪詢(xún)效率更加提升。

2.2 門(mén)限的計(jì)算

上述計(jì)算到達(dá)間隔判斷切換時(shí)機(jī)的方式，不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)到達(dá)間隔的變化規(guī)律?？蛇x用平均到達(dá)時(shí)間的均方根和均值的比值作為判斷切換的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)比值系數(shù)代表了平均到達(dá)時(shí)間的變化程度。當(dāng)比值小時(shí)表明預(yù)測(cè)的值與平均值偏差很小，數(shù)據(jù)到達(dá)的間隔時(shí)間是有規(guī)律的，可以預(yù)測(cè)。這種情況顯然要應(yīng)用輪詢(xún)方式，把輪詢(xún)周期設(shè)為平均到達(dá)間隔時(shí)間。

平均到達(dá)間隔時(shí)間的計(jì)算方法如下式：

式中：D為最后一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)的間隔時(shí)間；α為平均到達(dá)間隔時(shí)間的加權(quán)系數(shù)，α控制著D相對(duì)于以往的到達(dá)時(shí)間間隔歷史所占的比重。用這種方法，平均到達(dá)間隔時(shí)間就可以積累到達(dá)間隔時(shí)間了。

平均到達(dá)時(shí)間的方差用下式估計(jì)：

式中：β為到達(dá)間隔時(shí)間的方差加權(quán)系數(shù)，且控制估計(jì)器的記憶性。σ2開(kāi)方就得到平均到達(dá)間隔時(shí)間的均方根σ了。

下式表明了切換到輪詢(xún)時(shí)的門(mén)限：

式中：γ為預(yù)測(cè)門(mén)限，為系統(tǒng)可容忍的最大輪詢(xún)周期，在本系統(tǒng)中為滿(mǎn)足上層的應(yīng)用，為20 ms。表明數(shù)據(jù)到達(dá)間隔規(guī)律；表明平均到達(dá)間隔小于系統(tǒng)所能忍受的最小間隔。數(shù)據(jù)到達(dá)不頻繁，認(rèn)為滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件時(shí)切換到輪詢(xún)模式；當(dāng)滿(mǎn)足的條件相反時(shí)，切換到中斷方式。

3 實(shí)例分析

在可接收10路空中信號(hào)的多串口系統(tǒng)中對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。該系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)信息（主要為語(yǔ)音數(shù)據(jù)）接收后轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，通過(guò)10MHz以太網(wǎng)口送出。同時(shí)，它從以太網(wǎng)口接收來(lái)自控制臺(tái)的各類(lèi)指令，完成相應(yīng)的處理任務(wù)。

信號(hào)經(jīng)過(guò)1：10功分器，分給10個(gè)RF接收模塊，完成RF接收，輸出串行信號(hào)，每路串口為串行信號(hào)的最大速率115.2kbps，RF接收模塊每20ms發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包，一個(gè)數(shù)據(jù)包最大為30bit。之后串行信號(hào)經(jīng)過(guò)3片OX16C954（每片有4路UART）轉(zhuǎn)換成并行總線(xiàn)信號(hào)，輸出給MPC860T（CPU）。每片OX16C954設(shè)置有128B的環(huán)形緩沖區(qū)，所以經(jīng)過(guò)時(shí)間緩沖區(qū)就會(huì)被寫(xiě)滿(mǎn)。為了保證不丟失數(shù)據(jù)，應(yīng)該在8.8ms內(nèi)完成對(duì)10個(gè)終端接收模塊進(jìn)行一次接收。OX16C954中斷門(mén)限設(shè)為64B，當(dāng)接收緩沖超過(guò)64B時(shí)，OX16C954產(chǎn)生接收中斷。在OX16C954還設(shè)置有超時(shí)中斷，當(dāng)從接收最后一個(gè)停止位中心開(kāi)始計(jì)時(shí)，在四個(gè)符號(hào)周期內(nèi)沒(méi)有接收新的信息，即就產(chǎn)生超時(shí)中斷。批中斷的應(yīng)用如圖3。多個(gè)串口通過(guò)CPLD共享一個(gè)中斷源，在中斷頻繁，多個(gè)串口同時(shí)產(chǎn)生中斷的情況下，實(shí)現(xiàn)了批中斷，節(jié)約了中斷資源，提高了中斷效率。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)提供對(duì)多種處理器的廣泛支持，具有完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境、開(kāi)放的軟件接口、優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能和全面可靠的網(wǎng)絡(luò)功能及良好的可裁剪性，適用于各種嵌入式環(huán)境的開(kāi)發(fā)。

程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程：系統(tǒng)加電待操作系統(tǒng)啟動(dòng)之后，應(yīng)用程序首先根據(jù)主控和PC機(jī)的IP地址，得到它們的MAC地址，為以后進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)傳送做準(zhǔn)備；初始化MPC860T的Port C口，把PC12、PC15初始化為數(shù)據(jù)輸出口，分別用于點(diǎn)亮運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)燈和設(shè)置/清除硬件看門(mén)狗；初始化OX16C954，打開(kāi)10路串口，接收終端模塊的數(shù)據(jù)；同時(shí)向終端模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，初始化UDP協(xié)議棧；最后，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)中，從各個(gè)串口收集數(shù)據(jù)，解開(kāi)數(shù)據(jù)包，以UDP的方式，把話(huà)音包發(fā)給PC機(jī)，把非話(huà)音包發(fā)給主控；同時(shí)，從網(wǎng)絡(luò)上接收來(lái)自主控的UDP數(shù)據(jù)，根據(jù)端口號(hào)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)終端模塊。PC機(jī)不直接向DPM發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，只有主控向各個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，故由DPM至PC機(jī)的數(shù)據(jù)為單向。管理看門(mén)狗，每循環(huán)一次，開(kāi)關(guān)一次看門(mén)狗，處理一次狀態(tài)燈。整個(gè)程序的流程如圖4所示。

在10路都沒(méi)有數(shù)據(jù)的極限情況下測(cè)量輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)VP。在這種極限情況下，應(yīng)用全中斷的方式，10路串口沒(méi)有數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生中斷，中斷開(kāi)銷(xiāo)為0；應(yīng)用全輪詢(xún)的方式，CPU每次只查詢(xún)外部寄存器但不接收數(shù)據(jù)，所以每次CPU都是空轉(zhuǎn)，測(cè)量出來(lái)的為輪詢(xún)的固定開(kāi)銷(xiāo)VP=163.84μs。在這種情況下，中斷顯然要優(yōu)于輪詢(xún)。

3.1 均衡負(fù)載

在多路負(fù)載均衡的情況下，測(cè)量中斷吞吐率OI=B1為達(dá)到OX16C954中斷門(mén)限后，觸發(fā)的接收中斷所接收的數(shù)據(jù)量（B1≥64B）；B2為產(chǎn)生超時(shí)中斷時(shí)所接收的數(shù)據(jù)量（B2≤64B）。輪詢(xún)吞吐率OP=B′為輪詢(xún)接收的數(shù)據(jù)量。如圖5所示，在VxWorks系統(tǒng)中1tick=1/8000（s）。因?yàn)樵O(shè)置了中斷門(mén)限，所以中斷在數(shù)據(jù)量低的時(shí)刻有一個(gè)躍變；輪詢(xún)的躍變由輪詢(xún)的周期設(shè)置，如果改變輪詢(xún)周期，躍變點(diǎn)將發(fā)生轉(zhuǎn)移。輪詢(xún)的吞吐率隨輸入數(shù)據(jù)量的增加而呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；在數(shù)據(jù)量低時(shí)中斷要優(yōu)于輪詢(xún)，隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)輪詢(xún)就要優(yōu)于中斷，在兩者相交的時(shí)刻，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以找到γ和PUMAX的值。

3.2 非均衡負(fù)載情況

非均衡負(fù)載情況，即m1路數(shù)據(jù)負(fù)載大、m2路數(shù)據(jù)負(fù)載小的情況（m1+m2=10）下，測(cè)量OI、OP和OC（中斷和輪詢(xún)相結(jié)合的吞吐率）。如圖6所示，在橫坐標(biāo)為1處，為m1=3，m2=7的情況，由于應(yīng)用了批中斷，中斷的效率要優(yōu)于輪詢(xún)，中斷和輪詢(xún)相結(jié)合的方法要略?xún)?yōu)于中斷；在橫坐標(biāo)為2處，為m1=5，m2=5的情況，相結(jié)合的方法要略?xún)?yōu)于中斷和輪詢(xún)；在橫坐標(biāo)3處為m1=7，m2=3的情況，相結(jié)合的方法近似輪詢(xún)，要優(yōu)于中斷。

本文在綜合分析各種串口接收方式不足的基礎(chǔ)上，提出了中斷和輪詢(xún)相結(jié)合的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的前提下，改進(jìn)后的高速多串口系統(tǒng)吞吐率比應(yīng)用單一的中斷或輪詢(xún)方式在多路高速串口系統(tǒng)中、各串口負(fù)載不均衡的情況下，得到了明顯的提高。