在目前的工業(yè)現(xiàn)場總線中，對實(shí)時(shí)性的要求越來越高,，實(shí)時(shí)性指標(biāo)也成為工廠選擇總線時(shí)的一個(gè)重要因素,。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線作為目前國際上的一種通用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，隨著生產(chǎn)工藝對控制要求的提高,，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能要求也越來越高,。
    為了提高PROFIBUS-DP總線的實(shí)時(shí)性，本文在嚴(yán)格按照協(xié)議完成自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站情況下,，探討使用Linux操作系統(tǒng)提高PROFIBUS-DP總線實(shí)時(shí)性的方案,，以及在單主站情況下提高PROFIBUS-DP總線實(shí)時(shí)性的可行性,。
1 PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性分析
    實(shí)時(shí)性能主要體現(xiàn)在MAC層協(xié)議上，不同的總線采用不同的MAC子層協(xié)議,，PROFIBUS-DP采用的是簡化令牌總線協(xié)議,。同時(shí)，測控周期是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的主要指標(biāo),。
1.1 PROFIBUS-DP的MAC層協(xié)議
    PROFIBUS-DP采用簡化總線令牌總線協(xié)議作為MAC層標(biāo)準(zhǔn),，其總線設(shè)備包括主站（1類主站和2類主站）和從站，系統(tǒng)組成如圖1所示,。

    對總線上的每一個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)地址,，主站地址組成一個(gè)邏輯環(huán)，持有令牌的主站可以在持有令牌期間輪詢訪問從站,。
    PROFIBUS-DP的介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)包括主站之間通過占有令牌取得總線的占有權(quán)的主主通信和主站與從站之間的主從通信兩部分,。本文考慮的是一個(gè)單主站系統(tǒng)，所以只探討主從通信部分的實(shí)時(shí)性,。
1.2 測控周期
    測控周期是指控制系統(tǒng)周期性訪問網(wǎng)絡(luò)上同一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔,，記為Dcycle，它是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要指標(biāo),。它主要由周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tcycle,、主站維護(hù)時(shí)間TGAP和非周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tacycle（包括參數(shù)配置、從站數(shù)據(jù)診斷,、通信接口配置等）三部分組成,。
    所以，當(dāng)主站第一次上電,，第一次與從站進(jìn)行通信時(shí),，單主站的測控周期可表示為：
    
其中N表示系統(tǒng)中的從站個(gè)數(shù)。
1.2.1 周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tcycle
    一次典型的數(shù)據(jù)交換過程如圖2所示,。

其中,，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時(shí)間，是其他時(shí)間參數(shù)的計(jì)量單位,。由于PROFIBUS-DP采用UART編碼方式,，每個(gè)字符由11位組成，所以傳輸一個(gè)字符需要11Tbit,。
    從圖2可知,，一個(gè)報(bào)文循環(huán)由主動幀（請求或發(fā)送/請求幀）和回答幀組成。循環(huán)時(shí)間由幀傳輸時(shí)間,、傳輸延遲時(shí)間和站延遲時(shí)間組成,。所以：

1.2.2 主站維護(hù)時(shí)間TGAP
    當(dāng)總線上同時(shí)存在多個(gè)從站時(shí)，主站需要與總線上的每個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。對于單主站系統(tǒng),，該主站將一直持有令牌,。所以，當(dāng)主站處理完與一個(gè)從站的周期信息后,，就會發(fā)出Request_FDL_Status去查詢GAP中的一個(gè)地址,，更新NS值，查找是否有其他從站已經(jīng)在總線上等待與主站通信,。
    由于PROFIBUS-DP主站是按地址遞增順序查找從站,，并且Request_FDL_Status采用的是以SD1為起始符的報(bào)文幀，實(shí)際上,，從站隨時(shí)都監(jiān)聽著總線上的數(shù)據(jù),，所以當(dāng)報(bào)文幀中從站地址與自身地址相同后，從站就會傳遞應(yīng)答幀給主站,。
    在實(shí)際應(yīng)用中,，總線上的從站地址一般都按順序排列（如從站5、從站6,、從站7）,，很少出現(xiàn)跳躍，通常為：
 
2 Linux2.6下PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性分析
    由于是自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP主站(未采用協(xié)議芯片),，所以Tsdr和TID1這兩個(gè)參數(shù)完全由程序決定,。如果能縮短這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，則對PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性能的提高有很大的意義,。
2.1 Linux2.6的實(shí)時(shí)性分析
    Linux2.6內(nèi)核相對以前的Linux內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面有了很大的增強(qiáng),，包括O(1)調(diào)度器、可搶占式內(nèi)核,、改進(jìn)的線程模型以及對新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持,。
2.1.1 可搶占式內(nèi)核
    在2.6版的內(nèi)核中，引入了內(nèi)核的可搶占性,，只要調(diào)度是安全的,，內(nèi)核就可以在任何時(shí)間搶占正在執(zhí)行的任務(wù)。也就是說,，只要沒有持有鎖,，內(nèi)核就可以進(jìn)行搶占。鎖是非搶占區(qū)域的標(biāo)志,，由于內(nèi)核支持SMP,，所以，如果沒有持有鎖,，則正在執(zhí)行的代碼就是可重入的，也就可以搶占,。
2.1.2 定時(shí)器
    時(shí)鐘粒度是否粗糙是制約實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要方面,。Linux2.6已將終端頻率改為1 000 Hz,，即時(shí)鐘粒度為1 ms。
2.1.3 虛擬內(nèi)存
    Linux2.6內(nèi)核雖然支持虛擬內(nèi)存,，但是虛擬內(nèi)存的使用將會帶來系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的不確定性,，所以在移植Linux內(nèi)核時(shí)，應(yīng)盡可能去掉虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存機(jī)制,，盡量保證應(yīng)用程序直接訪問物理內(nèi)存,。
2.1.4 調(diào)度策略
    Linux2.6中不但支持基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，還支持基于比例共享的調(diào)度策略,。同時(shí),，Linux2.6內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度算法的復(fù)雜度為O(1)，這對于進(jìn)程的切換效率有了很大的提高,。
2.2 Linux2.6下PROFIBUS-DP單主站的軟件設(shè)計(jì)
    PROFIBUS-DP單主站的主從通信設(shè)計(jì)圖如圖3所示,。

    從“從站通信調(diào)度模塊”開始，該模塊根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來的詢問從站在線命令幀對相應(yīng)的從站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化,，然后調(diào)用“從站是否運(yùn)行模塊”,，判斷從站是否在線；如果在線,，就進(jìn)入“從站通信管理模塊”,。在該模塊中，由于已經(jīng)將Linux移植到了該硬件平臺上,，所以通過fork()函數(shù),，建立一個(gè)進(jìn)程，單獨(dú)處理與特定從站之間的通信,；如果有多個(gè)從站都進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),，則建立多個(gè)進(jìn)程，分享CPU,，按一定的調(diào)度策略處理與主站及從站之間的通信,。接著，按照PROFIBUS-DP協(xié)議的規(guī)范,，調(diào)用相應(yīng)的“請求幀模塊”,，發(fā)送命令幀給從站設(shè)備；從站在接收到請求幀后,，會在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送回應(yīng)幀響應(yīng)主站,，同時(shí)，主站在特定的時(shí)間內(nèi)會調(diào)用“接收請求幀模塊”,，處理接收到的響應(yīng)幀,。
    在軟件設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄PROFIBUS-DP主站的狀態(tài),，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
    typedef struct host_info{
        u8 host_addr;
        u8 host_mechanism_flag;
        u16 Cycle_Interval;
        struct host_fc FC;
        u32 baud_rate;
        u8 baud_index;
    }*pHOST;
    另外,，軟件設(shè)計(jì)中,，對于從站也設(shè)計(jì)了單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護(hù)其狀態(tài)。從站的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
    typedef struct slave_info{
        u8 global_status;
        u8 address;
        u8 baud_support;
        u8 configuration_flag;
        ……
        }*pSlave;
    同時(shí),，由于有了特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護(hù),，在主從數(shù)據(jù)的交換過程中，采用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)（即當(dāng)讀取到DP從站的輸入數(shù)據(jù)后,，直接將對應(yīng)數(shù)據(jù)填充到輸出幀對應(yīng)的位置）,，將大大縮短程序查找內(nèi)存的時(shí)間，加快響應(yīng)速度,。
    另外,，本軟件設(shè)計(jì)還采用了單緩沖技術(shù)。所謂單緩沖區(qū)是指不考慮通信中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)而只保留當(dāng)前最新的一幀,。這樣緩沖區(qū)中隨時(shí)都只有一幀有效數(shù)據(jù),，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
2.3 Linux操作系統(tǒng)下PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的改善
    與無操作系統(tǒng),、由安全使用協(xié)議完成的PROFIBUS-DP單主站相比,，使用Linux2.6操作系統(tǒng)后，實(shí)時(shí)性的改善主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面,。
2.3.1 站延遲時(shí)間Tsdr
    站延遲時(shí)間是指接收方從接到請求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔,。在本設(shè)計(jì)中，由于移植的Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)去掉了對虛擬內(nèi)存的支持,，所有數(shù)據(jù)都直接存放到物理內(nèi)存中,，同時(shí)使用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)，因此加快了數(shù)據(jù)交換的速度,。
2.3.2 從站之間的相互切換
    在未使用Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站中,，如果總線上存在多個(gè)從站，PROFIBUS0-DP與從站的通信完全由程序的邏輯來保證,，這無疑會加大編程人員的難度,，如果稍有不慎，可能會導(dǎo)致通信出現(xiàn)混亂,，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤,。
    使用了Linux操作系統(tǒng)后，PROFIBUS-DP主站與各個(gè)從站的通信分別由對應(yīng)的進(jìn)程處理,，總線中有多少個(gè)從站,，程序中就會有多少個(gè)進(jìn)程。這樣,，對各個(gè)從站的管理就變成對各個(gè)進(jìn)程的管理,，只要選擇合適的調(diào)度策略，則對各個(gè)從站的管理就不會出現(xiàn)混亂。同時(shí),，Linux2.6內(nèi)核中由于調(diào)度復(fù)雜度為O(1),，所以進(jìn)程切換時(shí)間大大縮短，這對提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也有很大好處,。
2.3.3 從站響應(yīng)時(shí)間
    從站響應(yīng)時(shí)間是指當(dāng)有新的從站掛到總線上時(shí)，PROFIBUS-DP單主站識別該從站的時(shí)間,。在一般的系統(tǒng)中,，PROFIBUS-DP主站通過輪詢識別從站，而在本設(shè)計(jì)中,，當(dāng)有新的從站掛到總線上時(shí),，會通過一個(gè)中斷信號告訴該主站，從而與該從站優(yōu)先通信,。此設(shè)計(jì)是為了使系統(tǒng)更具智能性,，這是標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP協(xié)議中沒有的。
3 主站平臺實(shí)時(shí)性能測試
    PROFIBUS-DP主站的主從通信的實(shí)時(shí)性能主要通過測控周期來判斷,。搭建測試平臺由一臺PC機(jī)（主要用作上位機(jī),，向主站下載GSD文件）、自己設(shè)計(jì)的嵌入式主站平臺(選用的是S3C2410芯片)和3個(gè)PROFIBUS-DP從站（ET200S,、mm420和自主設(shè)計(jì)的從站）構(gòu)成,，如圖4。

    本次測試的比特率選定為9.6 K,，同時(shí)對三個(gè)從站進(jìn)行組態(tài),，分別測試移植Linux操作系統(tǒng)該主站平臺的測控周期Dtop和移植Linux操作系統(tǒng)后主站的測控周期Dend。
    通過試驗(yàn),，從示波器上的測試圖形可以看出ttop的寬度大于tend的寬度,，具體測量后可知：
    無操作系統(tǒng)下：Dtop≈297.3 ms
    Linux操作系統(tǒng)下：Dend≈10.7 ms
    可見，移植Linux操作系統(tǒng)后,能使響應(yīng)時(shí)間大大降低,，提高對從站的管理效率,。
    本文對影響PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的因素進(jìn)行了充分分析，同時(shí),，在自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站平臺的基礎(chǔ)上,，討論了無操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下對PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響，提出了提高自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的方法,。最后,，通過實(shí)際測試，根據(jù)測控周期這個(gè)指標(biāo)比較了兩個(gè)實(shí)時(shí)性之間的差異,。
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