??? 摘 要： 在傳統(tǒng)的中斷和輪詢" title="輪詢">輪詢方式基礎(chǔ)上，提出一種中斷與輪詢相結(jié)合的接收機制，可以根據(jù)負載情況，在設(shè)定的門限控制下，對多路" title="多路">多路串口" title="串口">串口系統(tǒng)中不同的通道區(qū)分不同的接收方法。應(yīng)用該方法在VxWorks操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了對多路高速串口的實時接收處理。
??? 關(guān)鍵詞： 高速多串口? 中斷? 輪詢
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??? 串口通信具有傳輸距離遠、傳輸穩(wěn)定、簡單實用等特點，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，串口通信用于實時地從各個串口接收數(shù)據(jù)，而向各個串口發(fā)送的主要是控制信息，一般不要求嚴格的實時性。因此提高串口設(shè)備接收的實時性至關(guān)重要。
??? 設(shè)備接收到數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可通過兩種途徑獲取數(shù)據(jù)包到達的信息。一種是中斷方式" title="中斷方式">中斷方式，利用硬件中斷機制實現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)答對話，即當(dāng)外部設(shè)備需要CPU處理數(shù)據(jù)時，設(shè)備就發(fā)一個中斷信號給系統(tǒng)，系統(tǒng)在收到中斷請求時要保存中斷現(xiàn)場，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序響應(yīng)設(shè)備的中斷請求，退出中斷處理程序后要恢復(fù)現(xiàn)場。上下文的切換要占據(jù)系統(tǒng)開銷，在數(shù)據(jù)量過載時會使得中斷頻率過高，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)每隔一定時間便檢查一次物理設(shè)備，若設(shè)備“報告”有數(shù)據(jù)到達，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)等待處理時間，降低了系統(tǒng)實時性。而且當(dāng)數(shù)據(jù)量比較小時，頻繁查詢沒有數(shù)據(jù)達到的設(shè)備也是對CPU資源的浪費。
??? 可見中斷和輪詢方式都不能滿足不同負載情況下系統(tǒng)的實時性要求。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，提出一種輪詢與中斷結(jié)合的調(diào)度方式。這種調(diào)度機制在多串口系統(tǒng)中，當(dāng)負載在不同的串口通道不均衡時，可以提高CPU的利用效率，并能滿足業(yè)務(wù)的時延要求。另外，根據(jù)到達數(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，中斷和輪詢處理的時間相同。因為過程相同，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的時間很短，一般中斷為幾個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中斷法(Clocked Interrupts)，即設(shè)置一個定時器，定時器到時，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)量大時類似于輪詢，在負載小時中斷由異步事件觸發(fā)降低了開銷。但是這種機制需要一個精確的、頻率很高的系統(tǒng)時鐘，并且這種方法受固定定時周期的限制，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（Polling Watchdog)的機制，這種方法主要是為了解決接收處理中的等待時延問題?；舅枷刖褪窃谳喸兘邮臻_始時設(shè)置一個看門狗定時器，以滿足業(yè)務(wù)的最小時延要求，而且中斷要在接收超時才產(chǎn)生。此方法的不足之處是在負載小時解決不了輪詢空轉(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接收的負載，改變切換門限，自動在中斷和輪詢兩種方式中切換。中斷方式?jīng)]有考慮到超時中斷，當(dāng)數(shù)據(jù)到達間隔很大時，會降低實時性。在比較中斷和輪詢開銷時，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，即在每個獨立的通道可能存在不同的負載情況。如果對全部的串口通道統(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)實時性和高效率的綜合要求。根據(jù)這一特點，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，檢查輪詢隊列，如果數(shù)據(jù)到達間隔時間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)，在輪詢隊列中刪除該端口。根據(jù)不同的系統(tǒng)，間隔時間門限γ和空轉(zhuǎn)門限PUMAX的取值不同。
??? If TI<γ Then
?????? ??comID=polling
?????? ??AddList(comID)
??? 在中斷狀態(tài)下，如果數(shù)據(jù)到達間隔時間TI小于門限γ，則該端口改為輪詢狀態(tài)，在輪詢隊列中增加該端口。
2 門限設(shè)計
??? 如果事件隨機發(fā)生而且發(fā)生頻率很低，以致大多數(shù)輪詢都認為事件沒有發(fā)生，則中斷就會是首選的事件通知機制；如果事件定期發(fā)生且可以預(yù)測，而大多數(shù)輪詢都發(fā)現(xiàn)事件已發(fā)生，則首選機制是輪詢。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)準的選擇
??? 數(shù)據(jù)多少的衡量都是以單位時間內(nèi)的吞吐量計算，即數(shù)據(jù)速率。如果以吞吐率" title="吞吐率">吞吐率的多少作為切換門限的標(biāo)準，則在分組定長情況下，這種計算方法可以近似體現(xiàn)出負載情況，但當(dāng)分組不定長時就不能體現(xiàn)實際負載了，如圖1所示的四種情況。
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??? 圖1(a)和圖1(b)的分組長度不同，但之間的到達間隔都很小。計算得出圖1(b)單位時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，一次接收中接收到的數(shù)據(jù)非常多，但之間的到達間隔很長，如果計算吞吐率選擇的單位時間正好為數(shù)據(jù)接收時間，在這一段時間內(nèi)吞吐率很大，則誤認為數(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)到達的時間間隔可以近似地表示數(shù)據(jù)量的大小。如果數(shù)據(jù)到達間隔很小，且頻繁到達，則認為負載很大，選擇輪詢方式；如果數(shù)據(jù)到達間隔很大，則認為負載很小，選擇中斷方式。在輪詢方式中，如果根據(jù)已知的到達時間，推算出下一數(shù)據(jù)的到達時間，根據(jù)計算出的結(jié)果來設(shè)定輪詢周期，則輪詢效率更加提升。
2.2 門限的計算
??? 上述計算到達間隔判斷切換時機的方式，不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)到達間隔的變化規(guī)律。可選用平均到達時間的均方根和均值的比值作為判斷切換的標(biāo)準，這個比值系數(shù)代表了平均到達時間的變化程度。當(dāng)比值小時表明預(yù)測的值與平均值偏差很小，數(shù)據(jù)到達的間隔時間是有規(guī)律的，可以預(yù)測。這種情況顯然要應(yīng)用輪詢方式，把輪詢周期設(shè)為平均到達間隔時間。
??? 平均到達間隔時間的計算方法如下式：
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式中：D為最后一個數(shù)據(jù)到達的間隔時間；α為平均到達間隔時間的加權(quán)系數(shù)，α控制著D相對于以往的到達時間間隔歷史所占的比重。用這種方法，平均到達間隔時間
就可以積累到達間隔時間了。
??? 平均到達時間的方差用下式估計：
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式中：β為到達間隔時間的方差加權(quán)系數(shù)，且控制估計器的記憶性。σ2開方就得到平均到達間隔時間的均方根σ了。
??? 下式表明了切換到輪詢時的門限：
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式中：γ為預(yù)測門限，
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)到達間隔規(guī)律；
表明平均到達間隔小于系統(tǒng)所能忍受的最小間隔。數(shù)據(jù)到達不頻繁，認為滿足以上兩個條件時切換到輪詢模式；當(dāng)滿足的條件相反時，切換到中斷方式。
3 實例分析
??? 在可接收10路空中信號的多串口系統(tǒng)中對該算法進行實現(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，它從以太網(wǎng)口接收來自控制臺的各類指令，完成相應(yīng)的處理任務(wù)。
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??? 信號經(jīng)過1：10功分器，分給10個RF接收模塊，完成RF接收，輸出串行信號，每路串口為串行信號的最大速率115.2kbps，RF接收模塊每20ms發(fā)一個數(shù)據(jù)包，一個數(shù)據(jù)包最大為30bit。之后串行信號經(jīng)過3片OX16C954(每片有4路UART)轉(zhuǎn)換成并行總線信號，輸出給MPC860T(CPU)。每片OX16C954設(shè)置有128B的環(huán)形緩沖區(qū)，所以經(jīng)過時間
緩沖區(qū)就會被寫滿。為了保證不丟失數(shù)據(jù)，應(yīng)該在8.8ms內(nèi)完成對10個終端接收模塊進行一次接收。OX16C954中斷門限設(shè)為64B，當(dāng)接收緩沖超過64B時，OX16C954產(chǎn)生接收中斷。在OX16C954還設(shè)置有超時中斷，當(dāng)從接收最后一個停止位中心開始計時，在四個符號周期內(nèi)沒有接收新的信息，即
就產(chǎn)生超時中斷。批中斷的應(yīng)用如圖3。多個串口通過CPLD共享一個中斷源，在中斷頻繁，多個串口同時產(chǎn)生中斷的情況下，實現(xiàn)了批中斷，節(jié)約了中斷資源，提高了中斷效率。
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??? 本系統(tǒng)的設(shè)計基于VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)提供對多種處理器的廣泛支持，具有完善的開發(fā)環(huán)境、開放的軟件接口、優(yōu)異的實時性能和全面可靠的網(wǎng)絡(luò)功能及良好的可裁剪性，適用于各種嵌入式環(huán)境的開發(fā)。
??? 程序?qū)崿F(xiàn)過程：系統(tǒng)加電待操作系統(tǒng)啟動之后，應(yīng)用程序首先根據(jù)主控和PC機的IP地址，得到它們的MAC地址，為以后進行UDP數(shù)據(jù)傳送做準備；初始化MPC860T的Port C口，把PC12、PC15初始化為數(shù)據(jù)輸出口，分別用于點亮運行時的狀態(tài)燈和設(shè)置/清除硬件看門狗；初始化OX16C954，打開10路串口，接收終端模塊的數(shù)據(jù)；同時向終端模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，初始化UDP協(xié)議棧；最后，進入無限循環(huán)中，從各個串口收集數(shù)據(jù)，解開數(shù)據(jù)包，以UDP的方式，把話音包發(fā)給PC機，把非話音包發(fā)給主控；同時，從網(wǎng)絡(luò)上接收來自主控的UDP數(shù)據(jù)，根據(jù)端口號，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個終端模塊。PC機不直接向DPM發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，只有主控向各個終端發(fā)送數(shù)據(jù)，故由DPM至PC機的數(shù)據(jù)為單向。管理看門狗，每循環(huán)一次，開關(guān)一次看門狗，處理一次狀態(tài)燈。整個程序的流程如圖4所示。
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??? 在10路都沒有數(shù)據(jù)的極限情況下測量輪詢開銷VP。在這種極限情況下，應(yīng)用全中斷的方式，10路串口沒有數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生中斷，中斷開銷為0；應(yīng)用全輪詢的方式，CPU每次只查詢外部寄存器但不接收數(shù)據(jù)，所以每次CPU都是空轉(zhuǎn)，測量出來的為輪詢的固定開銷VP=163.84μs。在這種情況下，中斷顯然要優(yōu)于輪詢。
3.1 均衡負載
??? 在多路負載均衡的情況下，測量中斷吞吐率OI=
B1為達到OX16C954中斷門限后，觸發(fā)的接收中斷所接收的數(shù)據(jù)量(B1≥64B)；B2為產(chǎn)生超時中斷時所接收的數(shù)據(jù)量（B2≤64B）。輪詢吞吐率OP=
B′為輪詢接收的數(shù)據(jù)量。如圖5所示，在VxWorks系統(tǒng)中1tick=1/8000(s)。因為設(shè)置了中斷門限，所以中斷在數(shù)據(jù)量低的時刻有一個躍變；輪詢的躍變由輪詢的周期設(shè)置，如果改變輪詢周期，躍變點將發(fā)生轉(zhuǎn)移。輪詢的吞吐率隨輸入數(shù)據(jù)量的增加而呈線性增長；在數(shù)據(jù)量低時中斷要優(yōu)于輪詢，隨著數(shù)據(jù)量的增長輪詢就要優(yōu)于中斷，在兩者相交的時刻，通過實驗可以找到γ和PUMAX的值。
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3.2 非均衡負載情況
??? 非均衡負載情況，即m1路數(shù)據(jù)負載大、m2路數(shù)據(jù)負載小的情況(m1+m2=10)下，測量OI、OP和OC（中斷和輪詢相結(jié)合的吞吐率）。如圖6所示，在橫坐標(biāo)為1處，為m1=3，m2=7的情況，由于應(yīng)用了批中斷，中斷的效率要優(yōu)于輪詢，中斷和輪詢相結(jié)合的方法要略優(yōu)于中斷；在橫坐標(biāo)為2處，為m1=5，m2=5的情況，相結(jié)合的方法要略優(yōu)于中斷和輪詢；在橫坐標(biāo)3處為m1=7，m2=3的情況，相結(jié)合的方法近似輪詢，要優(yōu)于中斷。
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??? 本文在綜合分析各種串口接收方式不足的基礎(chǔ)上，提出了中斷和輪詢相結(jié)合的方法。實驗結(jié)果表明，在滿足系統(tǒng)實時性要求的前提下，改進后的高速多串口系統(tǒng)吞吐率比應(yīng)用單一的中斷或輪詢方式在多路高速串口系統(tǒng)中、各串口負載不均衡的情況下，得到了明顯的提高。
參考文獻
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