基于VxWorks的多路高速串口的通信方法設(shè)計(jì)

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，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)開銷，在數(shù)據(jù)量過載時(shí)會(huì)使得中斷頻率過高，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)，頻繁查詢沒有數(shù)據(jù)達(dá)到的設(shè)備也是對(duì)CPU資源的浪費(fèi)。

可見中斷和輪詢方式都不能滿足不同負(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)合中斷與輪詢的優(yōu)點(diǎn)，提出一種輪詢與中斷結(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、中斷切換門限和輪詢周期。

1 算法描述

在同一系統(tǒng)中處理相同業(yè)務(wù)量時(shí)，中斷和輪詢處理的時(shí)間相同。因?yàn)檫^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)開銷，而輪詢只是查詢一下寄存器狀態(tài)。相比之下，輪詢占用CPU的時(shí)間很短，一般中斷為幾個(gè)μs，輪詢?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中存在空轉(zhuǎn)情況，無疑增加了系統(tǒng)開銷。

目前，處理中斷和輪詢互換的方法有定時(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)類似于輪詢，在負(fù)載小時(shí)中斷由異步事件觸發(fā)降低了開銷。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)延問題?；舅枷刖褪窃谳喸兘邮臻_始時(shí)設(shè)置一個(gè)看門狗定時(shí)器，以滿足業(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)解決不了輪詢空轉(zhuǎn)問題。

混合中斷、輪詢方式(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，改變切換門限，自動(dòng)在中斷和輪詢兩種方式中切換。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。在比較中斷和輪詢開銷時(shí)，定義VI+V(B)為中斷開銷，其中VI為中斷的固有開銷，V(B)為系統(tǒng)接收B字節(jié)數(shù)據(jù)的開銷，VP+V(B)為輪詢開銷，VP為輪詢的固有開銷。但在一次輪詢和中斷接收中，中斷和輪詢所接收的數(shù)據(jù)可能不相等，中斷開銷和輪詢開銷便失去了比較意義。

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，檢查輪詢隊(duì)列，如果數(shù)據(jù)到達(dá)間隔時(shí)間TI大于門限γ或者輪詢空轉(zhuǎn)次數(shù)PU等于空轉(zhuǎn)門限PUMAX，則該端口改為中斷狀態(tài)，在輪詢隊(duì)列中刪除該端口。根據(jù)不同的系統(tǒng)，間隔時(shí)間門限γ和空轉(zhuǎn)門限PUMAX的取值不同。

If TIγ 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小于門限γ，則該端口改為輪詢狀態(tài)，在輪詢隊(duì)列中增加該端口。

2 門限設(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)輪詢都認(rèn)為事件沒有發(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)輪詢都發(fā)現(xiàn)事件已發(fā)生，則首選機(jī)制是輪詢。在這兩者之間存在這樣一種情況，即輪詢行為和反應(yīng)型行為的效果都相同，在它們之間如何選擇都無關(guān)緊要。這種情況即為所尋找的輪詢和中斷的切換門限。

2.1 門限度量標(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)果來設(shè)定輪詢周期，則輪詢效率更加提升。

2.2 門限的計(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。可選用平均到達(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)用輪詢方式，把輪詢周期設(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時(shí)的門限：

式中：γ為預(yù)測(cè)門限，為系統(tǒng)可容忍的最大輪詢周期，在本系統(tǒng)中為滿足上層的應(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)為滿足以上兩個(gè)條件時(shí)切換到輪詢模式；當(dāng)滿足的條件相反時(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10MHz以太網(wǎng)口送出。同時(shí)，它從以太網(wǎng)口接收來自控制臺(tái)的各類指令，完成相應(yīng)的處理任務(wù)。