1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)的三個采集節(jié)點都采用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。它針對廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實時嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，AT91SAM7X256還具備一個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、兩個串行外圍接口（SPI）、同步串行接口（SSC）、雙線接口（TWI）、三個通用異步收發(fā)器（UART）、一個8級（8-level）優(yōu)先中斷控制器（priority inter rupt controller）和眾多的監(jiān)管功能。這個新型的50 MIPSMCU擁有64KB的靜態(tài)存儲器和256KB的25ns閃存，這種閃存支持實時控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力。

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

1.2 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

實時以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)相同。主機通過以太網(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)

實時以太網(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)鏈路層又可細分為MAC子層和LLC子層。以太網(wǎng)卡實現(xiàn)了物理層和MAC子層能；LLC子層設(shè)計為向傳輸層提供無連接無確認的服務(wù)。傳輸層實現(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)點間實時數(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。

2.2 KEIL uVision3的RTL實時庫

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

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處理器上運行實時程序非常容易。它包含四個部分：RTX實時內(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實時庫可以解決嵌入式開發(fā)中的如下幾個常見問題：

（1）多任務(wù)（可以在單CPU上管理幾個工作或任務(wù)）；（2）實時控制（可以控制任務(wù)在既定時間內(nèi)完成）；（3）任務(wù)間通信（可以實現(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實時庫之上的。下面簡述一些RTL實時庫的網(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為對方的IP地址，remport為對方的通信端口，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，RTL實時庫不像BSD Socket一樣有專門的接收函數(shù)，而是利用回調(diào)機制，即收到數(shù)據(jù)時，就觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。另外，對于TCP，在回調(diào)函數(shù)里它有多個響應(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)并進行處理就是在該事件下完成的。然而，對于UDP，它沒有各個響應(yīng)事件。

2.3 主控機的功能及系統(tǒng)的性能分析

主控機的運行環(huán)境為RedH at9.0，采用標準的BSDSocket，它按順序給各點發(fā)指令字，然后依次從它們那里接收數(shù)據(jù)包并進行存儲和顯示。

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3個SAM7（基于TCP）

表2 PC對3個SAM7（基于UDP）

對照發(fā)現(xiàn)，UDP的傳輸速率可以達到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制，當數(shù)據(jù)接收方收到發(fā)送方傳來的信息時，會自動向發(fā)送方發(fā)出確認消息；發(fā)送方只有在接收到該確認消息之后才繼續(xù)傳送其它信息，否則將一直等待直到收到確認信息為止。鑒于此，我們在系統(tǒng)在采用了以下的機制，即在PC先采集節(jié)點發(fā)送指令字時用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)通信的實時性，對整個實時系統(tǒng)的正?？煽窟\轉(zhuǎn)起著決定性作用。實時以太網(wǎng)具有實時、高速、價格便宜等優(yōu)點。但也有其不足之處。如抗惡劣環(huán)境能力差；傳輸層在主機實現(xiàn)，占用了主機的資源；與主機上程序的協(xié)調(diào)運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