EPA通信協(xié)議棧設計中的關鍵技術研究

1. 前言

在國家863計劃的連續(xù)滾動支持下，重慶郵電大學作為核心單位參與制定了國家標準DD《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA（Ethernet for plant automation）系統(tǒng)結構和通信標準》（簡稱“EPA標準”）。 由于工業(yè)現(xiàn)場設備的特殊要求，在EPA網(wǎng)絡上運行的協(xié)議棧必須穩(wěn)定高效,這就需要我們不斷去探索好的優(yōu)化和實現(xiàn)方法。本文在分析了EPA網(wǎng)絡特點的基礎上，對EPA通信協(xié)議棧實現(xiàn)中的內存，時鐘管理等關鍵技術進行了研究，并提出了相應的實現(xiàn)方案。

2. EPA網(wǎng)絡

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和交換技術的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應用于工業(yè)控制領域成為可能。目前EPA做為工業(yè)以太網(wǎng)技術的解決方案之一，它主要有以下幾個方面的特點：

2.1 通信確定性與實時性

以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）介質訪問控制機制，因此具有通信“不確定性”的特點，并成為其應用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的主要障礙。EPA是應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信的開放網(wǎng)絡技術，采用分段化系統(tǒng)結構和確定性通信調度控制策略，能夠適應工業(yè)現(xiàn)場特殊需要，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性的問題，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。

2.2 穩(wěn)定性與可靠性

Ethernet進入工業(yè)控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，而未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡產(chǎn)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中。而EPA做為應用于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡標準，穩(wěn)定性與可靠性也是其必需的特點。

3. EPA協(xié)議中的內存管理

嵌入式系統(tǒng)軟件設計中采取的內存管理方案有兩種DD靜態(tài)分配和動態(tài)分配。一般來說，嵌入式系統(tǒng)總是兩種方案的組合，純粹的靜態(tài)分配一般只使用在不計成本來保證嚴格實時性的場合，而且靜態(tài)分配容易使系統(tǒng)失去靈活性。考慮到EPA協(xié)議棧主要應用于工業(yè)網(wǎng)絡設備中，所以我們在EPA協(xié)議棧設計中主要采用動態(tài)內存管理方式。動態(tài)內存管理機制在嵌入式軟件設計是難點，也是直接關系到整個系統(tǒng)性能的關鍵。

在EPA協(xié)議棧設計中，針對網(wǎng)絡部分和非網(wǎng)絡部分的內存需求，我們把整個系統(tǒng)內存分成報文緩沖區(qū)和通用緩沖區(qū)兩個不同的區(qū)域。先從系統(tǒng)申請固定大小的靜態(tài)內存做為報文緩沖區(qū)和通用緩沖區(qū)，在每塊內存區(qū)上定義自身的內存分配和回收算法，通過這種設計，能夠確保網(wǎng)絡系統(tǒng)不使用系統(tǒng)全部可用內存，應用程序也不會使用網(wǎng)絡已用內存，從而實現(xiàn)了內存區(qū)域隔離，也防止了協(xié)議棧耗盡所有系統(tǒng)內存，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1報文緩沖區(qū)

EPA協(xié)議中用戶數(shù)據(jù)從本地嵌入式設備傳輸?shù)竭h程設備的過程中，要經(jīng)過各層協(xié)議，對消息的封裝，去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續(xù)的內存區(qū)來存儲，傳遞數(shù)據(jù)的做法會有缺陷：例如當從上層向下層傳遞數(shù)據(jù)時，下層協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行封裝，而上層在申請內存時不會考慮到下層的需要。這樣就會導致下層協(xié)議處理時需要重新申請內存并進行內存拷貝，從而影響程序的效率。另外隨著數(shù)據(jù)的逐層處理，其內容可能有所增刪，而連續(xù)內存很難處理這樣動態(tài)的數(shù)據(jù)增刪。因此，必須要有一種能適應數(shù)據(jù)動態(tài)增刪，而在邏輯上又呈現(xiàn)連續(xù)性的數(shù)據(jù)結構，以滿足各層之間的數(shù)據(jù)傳遞，而不是進行內存拷貝。因此在EPA協(xié)議棧設計中采取的報文內存管理方案必須滿足以下要求：（1）適合存放不同長度的數(shù)據(jù)。（2）方便地操作變長緩存。（3）盡量減少為完成這些操作所做的數(shù)據(jù)拷貝。

綜合考慮系統(tǒng)效率和EPA網(wǎng)絡報文的特點，在EPA協(xié)議棧設計中，我們設計的每個緩沖塊的長度固定，大小以滿足EPA網(wǎng)絡中的大多數(shù)報文的長度為標準，這里我們設置每個緩沖塊的長度為128字節(jié)，大于這個長度的報文，就用多個緩沖塊形成的緩沖鏈來滿足。

EPA_BUFFER類型的緩沖區(qū)是報文緩沖區(qū)，該結構包括兩個指針，兩個長度域，其中next 域指針指向下一個EPA_BUFFER的緩沖塊，pdata域指向EPA_BUFFER中的數(shù)據(jù)起始位，tot_len域包括整個數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)長度，len域包含該緩沖塊中的數(shù)據(jù)長度。EPA_BUFFER整個結構的大小取決域所使用的處理器體系結構中一個指針的大小及可能的最小alignment的大小。在帶有32位指針和4個字節(jié)alignment的體系結構，整個的大小為16字節(jié)。一個EPA_BUFFER鏈，如圖1所示：

圖1. EPA_BUFFER鏈結構

緩沖區(qū)的操作函數(shù)：

void buf_init( void )；

epa_buf_t * buf_alloc( void );

epa_buf_t * buf_new(u16_t tot_len);

void buf_delete(epa_buf_t *buffer);

epa_buf_t * buf_adjust(epa_buf_t *buffer, s16_t flen, s16_t blen);

void buf_read(epa_buf_t *buffer, u8_t *pdata, u16_t *len);

void buf_write(epa_buf_t *buffer, u8_t *pdata, u16_t *len);

對報文緩沖區(qū)使用這種設計方法，能夠實現(xiàn)從中斷發(fā)送，到協(xié)議處理，用戶接收等整個過程中，數(shù)據(jù)只需要一次拷貝，減少了對數(shù)據(jù)空間需求（不用頻繁地進行數(shù)據(jù)硬復制），從而提高了EPA協(xié)議處理地實時性。

3.2通用緩沖區(qū)

在EPA協(xié)議棧設計中，通用緩沖區(qū)管理的實現(xiàn)很簡單，它分配和回收鄰近的內存區(qū)域并且調整已分配的內存塊。它使用系統(tǒng)中全部內存的特定區(qū)域， EPA_MEM類型的緩沖區(qū)是通用緩沖區(qū)，主要滿足協(xié)議棧中與報文無關的內存需求。

在EPA_RAM內部，內存管理通過將一種小的結構放置在每一個被分配的內存塊的頂端上來追蹤分配的內存，這個結構（圖2）設置兩個指針指向內存中下一個和前一個分配塊，還有一個used標志用來指示這個內存塊是否已經(jīng)被分配。使用最先適用的原則，通過搜索一個未使用的內存塊來分配內存。當一個內存塊被釋放時，used標志被設為0，為了防止碎片，檢測下一個和上一個內存塊的used標志，如果它們還沒有被使用，幾個塊合并成一個大的未使用的塊。

圖2 EPA_RAM結構

4. EPA協(xié)議中的時鐘管理

在EPA協(xié)議棧設計中，定時器的有效管理尤為重要，特別是在確定性調度實現(xiàn)方面，能不能對定時器進行合理的管理往往成為提高整個協(xié)議棧實時性能的瓶頸。對定時器的組織和管理最簡單的方式是采取先進先出(FIFO)方式的鏈表單隊列，這種組織管理方式會有一下兩個問題：定時隊列太長，找到所有到點定時器的時間開銷難以接受；當定時器中斷發(fā)生時要對所有的定時器的時長域進行減法操作，該部分時間性開銷也很大。另外，工業(yè)現(xiàn)場的嵌入式設備中，外設資源相對有限，為了使該協(xié)議棧能夠廣泛的應用于多種硬件平臺，我們使用一個硬件定時器為基準時鐘，然后在其基礎上設計了簡單遞增時鐘隊列，以滿足EPA系統(tǒng)對確定性調度以及時間同步的要求。

在系統(tǒng)中，為每個任務分配申請一個簡單相對遞增時鐘隊列，隊列中的定時節(jié)點按照定時時長排列有序，時長短的靠前，如圖3所示，定時節(jié)點1的時長為5 ticks, 定時節(jié)點2的時長為2ticks, 定時節(jié)點3的時長為4ticks， 在隊列中，定時節(jié)點的時長值改為相對前一定時節(jié)點時長的差值，即相對時長。當時鐘中斷發(fā)生時，只需對隊頭的時長域進行減1操作，所有的到點定時節(jié)點也均集中于隊列的前面。每個隊列中又可以有多個時鐘節(jié)點。邏輯時鐘隊列中，每個定時節(jié)點的數(shù)據(jù)結構如下所示:

typedef void (* timer_fun)(void *arg);

struct timer_node{

struct timer_node *next; /* 指向下一個定時節(jié)點 */

u32 time; /* 定時時間 */

timer_fun hander; /* 定時時間到后執(zhí)行的函數(shù) */

void *arg; /* 定時時間到后執(zhí)行函數(shù)的參數(shù) */

}

一個時鐘隊列如下圖所示：

圖 3 EPA時鐘隊列

邏輯時鐘隊列的處理函數(shù)有：

void time_queue_init( void );

u8_t time_task_add(u32_t msec, time_fun hander, void *arg);

u8_t time_task_delete(time_fun hander, void *arg);

在EPA協(xié)議棧設計中，利用此種定時隊列，能夠使用一個基準定時器就可以簡單，有效的實現(xiàn)確定性調度和時間同步所需的定時功能。

5.結論

本協(xié)議棧設計采用標準C進行開發(fā)，并在ARM平臺上結合UCOS-II進行了測試，測試結果表明：采用分類鏈式內存管理和相對遞增時鐘隊列的內存和時鐘管理方法的EPA通信協(xié)議棧通信過程穩(wěn)定，速度快。

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