1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)的三個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都采用ATMEL的AT91SAM7X256,，該微控制器具備嵌入式10/100以太網(wǎng)（Ethernet）MAC、CAN,、全速（12Mbps）USB2.0,。它針對(duì)廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，AT91SAM7X256還具備一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、兩個(gè)串行外圍接口（SPI）,、同步串行接口（SSC）,、雙線接口（TWI）、三個(gè)通用異步收發(fā)器（UART）,、一個(gè)8級(jí)（8-level）優(yōu)先中斷控制器（priority inter rupt controller）和眾多的監(jiān)管功能,。這個(gè)新型的50 MIPSMCU擁有64KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器和256KB的25ns閃存，這種閃存支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力,。

主控機(jī)用PC機(jī),，操作系統(tǒng)用RedHat9.0，它主要用于輪詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn),，并將從它們那里收到的數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存和顯示出來,。

1.2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)相同。主機(jī)通過以太網(wǎng)卡連到通信電纜上,。通信電纜可以是同軸電纜，也可以用非屏蔽雙絞線,。如果是非屏蔽雙絞線,，則需要用HUB。

2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

2.1 體系結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)參照ISO的OSI模型,，采用縮減的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、傳輸層和應(yīng)用層,，其中數(shù)據(jù)鏈路層又可細(xì)分為MAC子層和LLC子層。以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)了物理層和MAC子層能,；LLC子層設(shè)計(jì)為向傳輸層提供無連接無確認(rèn)的服務(wù),。傳輸層實(shí)現(xiàn)基于消息的數(shù)據(jù)傳輸，并向應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),。下面將著重討論傳輸層協(xié)議的設(shè)計(jì),。

2.2 KEIL uVision3的RTL實(shí)時(shí)庫

RealView RL-ARM是為解決基于ARM MCU的嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)及通信問題而設(shè)計(jì)的緊密耦合庫集合。

它可以非常方便地應(yīng)用于所有ARM7,、ARM9和Cortex-M3系列的處理器,，使得在ARM處理器上運(yùn)行實(shí)時(shí)程序非常容易。它包含四個(gè)部分：RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核,、Flash文件系統(tǒng),、TCP/IP協(xié)議簇、RTL-CAN （控制域網(wǎng)絡(luò)）,，Real??

View實(shí)時(shí)庫可以解決嵌入式開發(fā)中的如下幾個(gè)常見問題：

（1）多任務(wù)（可以在單CPU上管理幾個(gè)工作或任務(wù)）,；（2）實(shí)時(shí)控制（可以控制任務(wù)在既定時(shí)間內(nèi)完成）；（3）任務(wù)間通信（可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的任務(wù)間通信）,；（4）Internet連接（通過以太網(wǎng)或串口（Modem））,；（5）嵌入式Web服務(wù)器（包括CGI腳本）,；（6）E-mail公告（通過SMTP）。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能正是構(gòu)建在RTL實(shí)時(shí)庫之上的,。下面簡述一些RTL實(shí)時(shí)庫的網(wǎng)絡(luò)函數(shù),。

（1）TCP發(fā)送函數(shù)BOOL tcp_send（U8 Socket，U8* buf,，U16 dlen）,；其中Socket為通信TCP Socket，它包含了對(duì)方的IP和端口信息,，buf為要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址,，dlen為發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大值。

（2）UDP的發(fā)送函數(shù)udp_send（U8 Socket,，U8 *remip,，U16 remport，U8 * buf,，U16 dlen）,，其中Socket為通信UDP Socket，remip為對(duì)方的IP地址,，remport為對(duì)方的通信端口,，buf為要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址，dlen為發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大值,。

（3）接收數(shù)據(jù)時(shí),，RTL實(shí)時(shí)庫不像BSD Socket一樣有專門的接收函數(shù)，而是利用回調(diào)機(jī)制,，即收到數(shù)據(jù)時(shí),，就觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。另外,，對(duì)于TCP,，在回調(diào)函數(shù)里它有多個(gè)響應(yīng)事件，如TCP_EVT_CONREQ （連接請求）,；TCP_EVT_CONNECT（已建立連接）,；TCP_EVT _CLOSE（連接已關(guān)閉）；TCP_EVT_ABORT （連接異常終止）,；TCP_EVT_ACK（發(fā)送的數(shù)據(jù)已被對(duì)方響應(yīng)）,；TCP_EVT _DATA （收到數(shù)據(jù)包），提取收到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理就是在該事件下完成的,。然而,，對(duì)于UDP，它沒有各個(gè)響應(yīng)事件。

2.3 主控機(jī)的功能及系統(tǒng)的性能分析

主控機(jī)的運(yùn)行環(huán)境為RedH at9.0,，采用標(biāo)準(zhǔn)的BSDSocket,，它按順序給各點(diǎn)發(fā)指令字，然后依次從它們那里接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示,。

按照上述的硬件和軟件構(gòu)建后,，調(diào)試和測試后可得系統(tǒng)的通信速率如表1和表2所示。

表1 PC對(duì)3個(gè)SAM7（基于TCP）

表2 PC對(duì)3個(gè)SAM7（基于UDP）

對(duì)照發(fā)現(xiàn),，UDP的傳輸速率可以達(dá)到TCP的約2.5倍,。由于UDP協(xié)議并不提供數(shù)據(jù)傳送的保證機(jī)制，如果在從發(fā)送方到接收方的傳遞過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的丟失,，協(xié)議本身并不能做出任何檢測或提示,。因此，我們把UDP協(xié)議稱為不可靠的傳輸協(xié)議,。而TCP協(xié)議中包含了專門的傳遞保證機(jī)制,，當(dāng)數(shù)據(jù)接收方收到發(fā)送方傳來的信息時(shí)，會(huì)自動(dòng)向發(fā)送方發(fā)出確認(rèn)消息,；發(fā)送方只有在接收到該確認(rèn)消息之后才繼續(xù)傳送其它信息,，否則將一直等待直到收到確認(rèn)信息為止。鑒于此,，我們在系統(tǒng)在采用了以下的機(jī)制,，即在PC先采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令字時(shí)用TCP協(xié)議,，而在傳輸采集數(shù)據(jù)包是就用UDP協(xié)議,。

3 結(jié)束語

保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性，對(duì)整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)起著決定性作用,。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)、高速,、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),。但也有其不足之處。如抗惡劣環(huán)境能力差,；傳輸層在主機(jī)實(shí)現(xiàn),，占用了主機(jī)的資源；與主機(jī)上程序的協(xié)調(diào)運(yùn)行也是要考慮的問題,。

作者：胡博 韓菲帆   來源：《信息通信》2011年02期