嵌入式系統(tǒng)的通信規(guī)約管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：平臺(tái) 規(guī)約說明書 CPCB 動(dòng)態(tài)描述靜態(tài)描述 邏輯描述

引言

眾所周知，通信的雙方必須遵守相同的協(xié)議，報(bào)文才能互相識(shí)別。目前，不同行業(yè)間的通信協(xié)議千差萬別。為解決不同通信協(xié)議間的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信問題，人們普遍采用的措施是一個(gè)具體規(guī)約對(duì)應(yīng)一段程序。如果出現(xiàn)新規(guī)約，只能由通信雙方共同配合，由一方按另一方的標(biāo)準(zhǔn)修改或增加通信規(guī)約來解決問題。這種解決措施使得通信系統(tǒng)的適應(yīng)能力不強(qiáng)、可維護(hù)性差，難以兼容不同規(guī)約的設(shè)備。

筆者借鑒操作系統(tǒng)進(jìn)程控制塊PCB的思想，通過對(duì)各種通信規(guī)約的認(rèn)真分析研究，提出了自己的通信規(guī)約管理平臺(tái)的核心設(shè)計(jì)思想――用戶填寫指定格式的靜態(tài)規(guī)約說明書。規(guī)約管理平臺(tái)根據(jù)規(guī)約書生成通信規(guī)約控制塊，由規(guī)約控制塊統(tǒng)一控制、管理，并適應(yīng)千差萬別規(guī)約程序的運(yùn)行。

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)千差萬別的通信規(guī)約，不用修改程序就能夠保證通信系統(tǒng)在線運(yùn)行情況下，接入各種新設(shè)備，以不變的程序應(yīng)對(duì)萬變的規(guī)約，維護(hù)真正做到傻瓜化、智能化。

1 設(shè)計(jì)通信規(guī)約管理平臺(tái)的可行性

1.1 統(tǒng)一的通信模型

任何兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)應(yīng)用程序通信，都遵從如圖1所示的通信模型。數(shù)據(jù)流動(dòng)可以用收到發(fā)兩個(gè)動(dòng)作來描述。把提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)的應(yīng)用程序稱為控制方向、即命令的下行；把提供數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序稱為監(jiān)測(cè)方向，即數(shù)據(jù)的上行。這樣，一個(gè)完整的規(guī)約有控制方和監(jiān)測(cè)方兩個(gè)方面。控制方向下發(fā)送命令，并解析監(jiān)測(cè)方發(fā)來的應(yīng)答或主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)或狀態(tài)指示報(bào)文；監(jiān)測(cè)方解析命令，根據(jù)請(qǐng)求命令組織應(yīng)答報(bào)文并上傳。

1.2 通信規(guī)約的共性

任何通信規(guī)約都具有如下共同特征；幀結(jié)構(gòu)的相似性、數(shù)據(jù)對(duì)象種類和報(bào)文長度的有限性、報(bào)文流的粒子性、邏輯過程的有窮性、傳送原因的可分類性。

（1）幀結(jié)構(gòu)的相似性

每幀報(bào)文都有圖2所示的傳輸控制部分。

傳輸控制部分的目的之一是保證要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終能夠正確到達(dá)目的地。傳輸控制部分包括同步字對(duì)象、長度對(duì)象、傳輸方向?qū)ο?、源地址?duì)象、目的地址對(duì)象、幀號(hào)對(duì)象、功能符對(duì)象、結(jié)束符對(duì)象、其它對(duì)象及校驗(yàn)碼十種對(duì)象構(gòu)成。任何具體的規(guī)約都是上述對(duì)象的全部或基子集的一個(gè)具體排列。

數(shù)據(jù)部分就是用傳輸控制元素封裝起來的傳輸數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)對(duì)象種類和報(bào)文長度的有限性

數(shù)據(jù)對(duì)象是通信規(guī)約真正要傳輸?shù)膶?duì)象。任何一個(gè)具體應(yīng)用，要傳輸數(shù)據(jù)對(duì)象的種類是有限的，因而人們能夠通過具體的通信規(guī)約將其進(jìn)行描述。通信規(guī)允管理平臺(tái)同樣也能被描述出來。

任何規(guī)約一幀報(bào)文的最大長度都是有限的，這樣不但可以遏制通信線路上長期被個(gè)別設(shè)備獨(dú)占，也減少了錯(cuò)誤傳的次數(shù)與重傳時(shí)間。一旦要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過規(guī)定幀長，要分幀發(fā)送，接收方根據(jù)幀號(hào)來組裝源數(shù)據(jù)。

（3）報(bào)文流的粒子性

更重要的是任何報(bào)文流的最小單位都是一個(gè)二進(jìn)制位，相應(yīng)報(bào)文的最小定義單元也是一個(gè)二進(jìn)制位，這是所有通信規(guī)約的共性，不同的是各位間含義不同。任何規(guī)約的不同定義都在報(bào)文流有不同的確定位置（對(duì)位而言），數(shù)據(jù)發(fā)送是以字節(jié)為單位的。所以，引入順序號(hào)的概念來描述并指示定義在不同報(bào)文中的起始位置（相對(duì)于合法報(bào)文的第一個(gè)同步字）和位數(shù)，順序號(hào)屬性就成了所有對(duì)象的共同屬性。描述如下：

*字節(jié)序號(hào)――定義在一個(gè)以字節(jié)為單位，合法幀中數(shù)據(jù)成員占有的邏輯序號(hào)，第一個(gè)起始符為邏輯序號(hào)0（C、C++下標(biāo)從0開始），根據(jù)在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)的先后順序遞增；

*字節(jié)內(nèi)的起始位號(hào)――字節(jié)內(nèi)的開始位號(hào)，取值范圍0～7；

*位數(shù)――用幾位表示。

struct CommSerial

{unsigned int SerialByte;

unsigned char ByteStartBit,ByteEndBit}my={2,0,8}；

字節(jié)順序號(hào)為2，字節(jié)內(nèi)起始位號(hào)為0，位數(shù)為8，說明是幀中的第三個(gè)字節(jié)。如果規(guī)約用已有定義的字節(jié)的空位來定義，順序號(hào)可以重復(fù)，但位號(hào)不能重復(fù)，用累加實(shí)現(xiàn)。

（4）邏輯規(guī)則的有窮性

邏輯規(guī)則包含以下四個(gè)方面。

①命令應(yīng)答關(guān)系規(guī)則：包括通信雙方中，控制方發(fā)送的命令和監(jiān)測(cè)方的應(yīng)答數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及監(jiān)測(cè)方的狀態(tài)指示和控制方的發(fā)送命令關(guān)系兩個(gè)方面。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是確定的、有限的和可描述的。

②雙方數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間規(guī)則：控制方的自動(dòng)輪詢時(shí)間規(guī)則、監(jiān)視方主動(dòng)上報(bào)的時(shí)間規(guī)則及人工隨機(jī)干預(yù)的控制命令，以上都是有限的與確定的。

③優(yōu)先級(jí)規(guī)則：控制方同時(shí)出現(xiàn)多種要發(fā)送的命令，應(yīng)按優(yōu)先級(jí)規(guī)則進(jìn)行傳送。

④在幀結(jié)構(gòu)的各控制元素一級(jí)封裝下，數(shù)據(jù)對(duì)象本身又進(jìn)行了二級(jí)封裝。這種二級(jí)封可按一級(jí)封裝的方式解決。

（5）傳送原因的可分類性

控制方的傳輸原因有自動(dòng)輪詢、人工隨機(jī)干預(yù)、監(jiān)視方出現(xiàn)需優(yōu)先處理的狀態(tài)或指示；監(jiān)視方向的傳輸原因有受召喚與主動(dòng)上報(bào)兩種。

綜上所述，通信規(guī)約管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)是完全可行的。

圖2 通信報(bào)文統(tǒng)一抽象格式

2 通信規(guī)約管理平臺(tái)的基本組織方式

管理平臺(tái)組織方式是將規(guī)約按照統(tǒng)一格式分解，以形成規(guī)約說明書或規(guī)約描述文件，將之放在外存，啟動(dòng)注冊(cè)命令，管理平臺(tái)將規(guī)約說明書進(jìn)行系統(tǒng)注冊(cè)，填入規(guī)約注冊(cè)控制表。運(yùn)行時(shí)，管理平臺(tái)從規(guī)約注意表中提取指定的規(guī)約說明書，并找到一個(gè)空白規(guī)約控制塊CPCB，根據(jù)規(guī)約說明文件填寫CPCB，再由CPCB控制管理這個(gè)具體規(guī)約的運(yùn)行。空白規(guī)約控制塊的個(gè)數(shù)是有限的。一個(gè)進(jìn)程按照CPCB的內(nèi)容來運(yùn)行，同時(shí)一個(gè)進(jìn)程管理一個(gè)硬件通信端口資源，即通信端口的數(shù)量決定通信進(jìn)程的數(shù)量。平臺(tái)可根據(jù)運(yùn)行各規(guī)約的實(shí)現(xiàn)性要求，來安排一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行CPCB的數(shù)量。當(dāng)然，一個(gè)進(jìn)程依照一個(gè)CPCB運(yùn)行是容易實(shí)現(xiàn)的。

2.1 規(guī)約說明書

規(guī)約說明書由基本情況表、靜態(tài)描述表、動(dòng)態(tài)描述表、邏輯規(guī)則表構(gòu)成。靜態(tài)描述表由控制元素對(duì)象中不隨時(shí)間變化而變化的屬性信息及其它信息組成；動(dòng)態(tài)描述表用于描述隨時(shí)間不斷變化的控制元素和數(shù)據(jù)元素信息及其它信息；邏輯描述表由命令應(yīng)答關(guān)系表、應(yīng)答命令表、時(shí)間規(guī)則表、優(yōu)先級(jí)規(guī)則表、篩選規(guī)則表和二級(jí)封裝規(guī)則表組成。

（1）基本情況表

包括規(guī)約名稱、最大幀長、數(shù)據(jù)對(duì)象個(gè)數(shù)、命令對(duì)象個(gè)數(shù)和狀態(tài)指示對(duì)象個(gè)數(shù)，如圖3（a）所示。

（2）靜態(tài)描述

由同步字、傳輸方向、源地址、結(jié)束符及其它6種數(shù)據(jù)對(duì)象構(gòu)成，如圖3（b）所示。同步字標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的開始；傳輸方向說明當(dāng)前是工作在控制方向還是標(biāo)志測(cè)方向；源地址說明報(bào)文的發(fā)送設(shè)備地址；結(jié)束符標(biāo)志一幀報(bào)文的尾；其它對(duì)象指向所有不在上述靜態(tài)描述之中的控制元素對(duì)象鏈的隊(duì)首。靜態(tài)描述中的每個(gè)控制元素對(duì)象都有本規(guī)約內(nèi)全局統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)號(hào)（ID）。

（3）動(dòng)態(tài)描述

用于描述隨時(shí)間具體因素控制而不斷變化的信息，它包括幀號(hào)對(duì)象、校驗(yàn)碼對(duì)象、報(bào)文長度對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象、請(qǐng)求命令對(duì)象、應(yīng)答命令對(duì)象、目的地址對(duì)象及其它對(duì)象，如圖3（c）所示。幀號(hào)是完整報(bào)文的分幀傳送，規(guī)約規(guī)定的報(bào)文幀的幀長是有限的；超限時(shí)分幀傳送，發(fā)送方指明幀號(hào)，接受方按幀號(hào)重新組裝。校驗(yàn)碼對(duì)象用于傳輸差錯(cuò)控制，檢驗(yàn)一幀報(bào)文的合法性。報(bào)文長度對(duì)象管理并指明有效數(shù)據(jù)的長度。數(shù)據(jù)對(duì)象按應(yīng)答命令對(duì)象指明的類型組織該類數(shù)據(jù)。目的地址對(duì)于控制方向，指明服務(wù)的設(shè)備地址，它可能向多個(gè)設(shè)備輪流請(qǐng)求；對(duì)于監(jiān)測(cè)方向，指明請(qǐng)求服務(wù)的設(shè)備地址。數(shù)據(jù)對(duì)象取決于具體規(guī)約的定義。應(yīng)答命令對(duì)換快捷指明應(yīng)答數(shù)據(jù)對(duì)象的類型。請(qǐng)求命令對(duì)象指明控制方向，向目的設(shè)備下發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)狀態(tài)對(duì)象命令，并組織報(bào)文幀。應(yīng)答命令對(duì)象和請(qǐng)求命令對(duì)象管理的措施與數(shù)據(jù)狀態(tài)對(duì)象相同。當(dāng)然，應(yīng)答數(shù)據(jù)狀態(tài)表和請(qǐng)求命令表是靜態(tài)的，在此便于說明；而數(shù)據(jù)狀態(tài)對(duì)象表是動(dòng)態(tài)的。

動(dòng)態(tài)描述中的控制元素對(duì)象和數(shù)據(jù)元素對(duì)象也都由本規(guī)約內(nèi)全局統(tǒng)一的ID號(hào)來識(shí)別；ID號(hào)由ID注冊(cè)管理程序生成，填寫規(guī)約自己所賂的ID注冊(cè)表。

（4）靜態(tài)對(duì)象和動(dòng)態(tài)對(duì)象公有的屬性

①順序號(hào)對(duì)象：如前所述，它指明某一元素對(duì)象在報(bào)文流中的起始位置和所占的連續(xù)二進(jìn)制位數(shù)。

②ID號(hào)對(duì)象是全局統(tǒng)一的，它由六段依次連接而成，即一段、二段、三段、四段、五段、六段。根據(jù)ID可以識(shí)別提取不同的元素對(duì)象，它是各控制元素和數(shù)據(jù)元素的唯一標(biāo)識(shí)。

一段是注冊(cè)后的規(guī)約ID號(hào)，高段的位數(shù)由規(guī)約ID號(hào)位數(shù)決定。二段是區(qū)分上行與下行，用一位二進(jìn)制位就可區(qū)分。三段用于說明具體的規(guī)約是否含有對(duì)應(yīng)的元素對(duì)象，它說明的是有與無。四段用于區(qū)分源地址、目的地址、傳輸方向、同步字、其它靜態(tài)對(duì)象、幀號(hào)、校驗(yàn)碼、報(bào)文長度、請(qǐng)求命令符、應(yīng)答命令符、其它動(dòng)態(tài)對(duì)象和數(shù)據(jù)對(duì)象，共12種，用4位二進(jìn)制位就可區(qū)分。五段用于說明四段之中的每一種是否具有原子性，比如同步字就具有原子性。當(dāng)子種類多于一個(gè)同步字時(shí)，也相當(dāng)于一個(gè)，要發(fā)就全發(fā)，不可分割；而請(qǐng)求命令符就不具有原子性，只能發(fā)出其子種類之中的一種。原子性是個(gè)布爾量，一位二進(jìn)制就可描述。六段用于說明當(dāng)上述12種之中任一種超過一個(gè)時(shí)，就可用第5段描述，比如同步字6個(gè)，就得用三位，選取上述12種之中子種類最多的一個(gè)和為第五段的位數(shù)。

③拷貝、賦值、被拷貝：在報(bào)文流中的其它類元素對(duì)象中，當(dāng)出現(xiàn)與已有定義的控制元素對(duì)象表示值重復(fù)時(shí)，引進(jìn)對(duì)象的拷貝與被拷貝屬性。賦值屬性說明該元素指的是已獨(dú)立的定義值。相應(yīng)的，引入拷貝與賦值操作。

（5）邏輯描述信息

邏輯描述信息由下列表構(gòu)成：

①控制方發(fā)送的命令被監(jiān)測(cè)方收到后，監(jiān)測(cè)方予以應(yīng)答的數(shù)據(jù)對(duì)象ID對(duì)應(yīng)關(guān)系表；

②控制方收到監(jiān)測(cè)方的狀態(tài)指示后，控制方應(yīng)響應(yīng)的發(fā)送命令I(lǐng)D對(duì)應(yīng)關(guān)系表；

③控制方發(fā)送輪詢命令I(lǐng)D時(shí)間間隔表；

④控制方的人工干預(yù)控制命令I(lǐng)D表；

⑤監(jiān)測(cè)方的主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)表、狀態(tài)ID表；

⑥控制方發(fā)送命令I(lǐng)D優(yōu)先級(jí)的規(guī)則表；

⑦監(jiān)測(cè)方應(yīng)答數(shù)據(jù)與主動(dòng)上報(bào)的ID優(yōu)先級(jí)規(guī)則表；

⑧二級(jí)封裝規(guī)則表。

2.2 規(guī)約控制埠CPCB

通信平臺(tái)的某一通信進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，如未匹配通信規(guī)約，則運(yùn)行空規(guī)約。如收到控制臺(tái)發(fā)來的匹配命令，則從規(guī)約注冊(cè)表中提取規(guī)約說明書，并從空白CPCB鏈表中摘下一個(gè)，將它鏈入運(yùn)行CPCB鏈表，按照規(guī)約說明書的內(nèi)容填寫該CPCB，填寫完畢即投入運(yùn)行。這樣，在邏輯規(guī)則的控制下，各靜態(tài)對(duì)象和動(dòng)態(tài)對(duì)象各司其職而又發(fā)送消息協(xié)同工作，整個(gè)平臺(tái)就會(huì)有條不紊地動(dòng)作。