嵌入式系統(tǒng)的通信規(guī)約管理平臺設計
關鍵詞：平臺 規(guī)約說明書 CPCB 動態(tài)描述靜態(tài)描述 邏輯描述
引言
眾所周知，通信的雙方必須遵守相同的協(xié)議，報文才能互相識別。目前，不同行業(yè)間的通信協(xié)議千差萬別。為解決不同通信協(xié)議間的計算機系統(tǒng)通信問題，人們普遍采用的措施是一個具體規(guī)約對應一段程序。如果出現(xiàn)新規(guī)約，只能由通信雙方共同配合，由一方按另一方的標準修改或增加通信規(guī)約來解決問題。這種解決措施使得通信系統(tǒng)的適應能力不強、可維護性差，難以兼容不同規(guī)約的設備。
筆者借鑒操作系統(tǒng)進程控制塊PCB的思想，通過對各種通信規(guī)約的認真分析研究，提出了自己的通信規(guī)約管理平臺的核心設計思想——用戶填寫指定格式的靜態(tài)規(guī)約說明書。規(guī)約管理平臺根據(jù)規(guī)約書生成通信規(guī)約控制塊，由規(guī)約控制塊統(tǒng)一控制、管理，并適應千差萬別規(guī)約程序的運行。
該平臺的設計使得系統(tǒng)能夠適應千差萬別的通信規(guī)約，不用修改程序就能夠保證通信系統(tǒng)在線運行情況下，接入各種新設備，以不變的程序應對萬變的規(guī)約，維護真正做到傻瓜化、智能化。
1 設計通信規(guī)約管理平臺的可行性
1.1 統(tǒng)一的通信模型
任何兩臺計算機上的兩個應用程序通信，都遵從如圖1所示的通信模型。數(shù)據(jù)流動可以用收到發(fā)兩個動作來描述。把提出數(shù)據(jù)請求服務的應用程序稱為控制方向、即命令的下行；把提供數(shù)據(jù)服務的應用程序稱為監(jiān)測方向，即數(shù)據(jù)的上行。這樣，一個完整的規(guī)約有控制方和監(jiān)測方兩個方面?？刂品较蛳掳l(fā)送命令，并解析監(jiān)測方發(fā)來的應答或主動上報的數(shù)據(jù)或狀態(tài)指示報文；監(jiān)測方解析命令，根據(jù)請求命令組織應答報文并上傳。
1.2 通信規(guī)約的共性
任何通信規(guī)約都具有如下共同特征；幀結構的相似性、數(shù)據(jù)對象種類和報文長度的有限性、報文流的粒子性、邏輯過程的有窮性、傳送原因的可分類性。
（1）幀結構的相似性
每幀報文都有圖2所示的傳輸控制部分。
傳輸控制部分的目的之一是保證要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終能夠正確到達目的地。傳輸控制部分包括同步字對象、長度對象、傳輸方向對象、源地址對象、目的地址對象、幀號對象、功能符對象、結束符對象、其它對象及校驗碼十種對象構成。任何具體的規(guī)約都是上述對象的全部或基子集的一個具體排列。
數(shù)據(jù)部分就是用傳輸控制元素封裝起來的傳輸數(shù)據(jù)。
（2）數(shù)據(jù)對象種類和報文長度的有限性
數(shù)據(jù)對象是通信規(guī)約真正要傳輸?shù)膶ο?。任何一個具體應用，要傳輸數(shù)據(jù)對象的種類是有限的，因而人們能夠通過具體的通信規(guī)約將其進行描述。通信規(guī)允管理平臺同樣也能被描述出來。
任何規(guī)約一幀報文的最大長度都是有限的，這樣不但可以遏制通信線路上長期被個別設備獨占，也減少了錯誤傳的次數(shù)與重傳時間。一旦要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過規(guī)定幀長，要分幀發(fā)送，接收方根據(jù)幀號來組裝源數(shù)據(jù)。
（3）報文流的粒子性
更重要的是任何報文流的最小單位都是一個二進制位，相應報文的最小定義單元也是一個二進制位，這是所有通信規(guī)約的共性，不同的是各位間含義不同。任何規(guī)約的不同定義都在報文流有不同的確定位置（對位而言），數(shù)據(jù)發(fā)送是以字節(jié)為單位的。所以，引入順序號的概念來描述并指示定義在不同報文中的起始位置（相對于合法報文的第一個同步字）和位數(shù)，順序號屬性就成了所有對象的共同屬性。描述如下：
*字節(jié)序號——定義在一個以字節(jié)為單位，合法幀中數(shù)據(jù)成員占有的邏輯序號，第一個起始符為邏輯序號0（C、C++下標從0開始），根據(jù)在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)的先后順序遞增；
*字節(jié)內的起始位號——字節(jié)內的開始位號，取值范圍0～7；
*位數(shù)——用幾位表示。
struct CommSerial
{unsigned int SerialByte;
unsigned char ByteStartBit,ByteEndBit}my={2,0,8}；
字節(jié)順序號為2，字節(jié)內起始位號為0，位數(shù)為8，說明是幀中的第三個字節(jié)。如果規(guī)約用已有定義的字節(jié)的空位來定義，順序號可以重復，但位號不能重復，用累加實現(xiàn)。
（4）邏輯規(guī)則的有窮性
邏輯規(guī)則包含以下四個方面。
①命令應答關系規(guī)則：包括通信雙方中，控制方發(fā)送的命令和監(jiān)測方的應答數(shù)據(jù)對應關系，以及監(jiān)測方的狀態(tài)指示和控制方的發(fā)送命令關系兩個方面。這種對應關系是確定的、有限的和可描述的。
②雙方數(shù)據(jù)發(fā)送的時間規(guī)則：控制方的自動輪詢時間規(guī)則、監(jiān)視方主動上報的時間規(guī)則及人工隨機干預的控制命令，以上都是有限的與確定的。
③優(yōu)先級規(guī)則：控制方同時出現(xiàn)多種要發(fā)送的命令，應按優(yōu)先級規(guī)則進行傳送。
④在幀結構的各控制元素一級封裝下，數(shù)據(jù)對象本身又進行了二級封裝。這種二級封可按一級封裝的方式解決。
（5）傳送原因的可分類性
控制方的傳輸原因有自動輪詢、人工隨機干預、監(jiān)視方出現(xiàn)需優(yōu)先處理的狀態(tài)或指示；監(jiān)視方向的傳輸原因有受召喚與主動上報兩種。
綜上所述，通信規(guī)約管理平臺的設計是完全可行的。
圖2 通信報文統(tǒng)一抽象格式
2 通信規(guī)約管理平臺的基本組織方式
管理平臺組織方式是將規(guī)約按照統(tǒng)一格式分解，以形成規(guī)約說明書或規(guī)約描述文件，將之放在外存，啟動注冊命令，管理平臺將規(guī)約說明書進行系統(tǒng)注冊，填入規(guī)約注冊控制表。運行時，管理平臺從規(guī)約注意表中提取指定的規(guī)約說明書，并找到一個空白規(guī)約控制塊CPCB，根據(jù)規(guī)約說明文件填寫CPCB，再由CPCB控制管理這個具體規(guī)約的運行。空白規(guī)約控制塊的個數(shù)是有限的。一個進程按照CPCB的內容來運行，同時一個進程管理一個硬件通信端口資源，即通信端口的數(shù)量決定通信進程的數(shù)量。平臺可根據(jù)運行各規(guī)約的實現(xiàn)性要求，來安排一個進程運行CPCB的數(shù)量。當然，一個進程依照一個CPCB運行是容易實現(xiàn)的。
2.1 規(guī)約說明書
規(guī)約說明書由基本情況表、靜態(tài)描述表、動態(tài)描述表、邏輯規(guī)則表構成。靜態(tài)描述表由控制元素對象中不隨時間變化而變化的屬性信息及其它信息組成；動態(tài)描述表用于描述隨時間不斷變化的控制元素和數(shù)據(jù)元素信息及其它信息；邏輯描述表由命令應答關系表、應答命令表、時間規(guī)則表、優(yōu)先級規(guī)則表、篩選規(guī)則表和二級封裝規(guī)則表組成。
（1）基本情況表
包括規(guī)約名稱、最大幀長、數(shù)據(jù)對象個數(shù)、命令對象個數(shù)和狀態(tài)指示對象個數(shù)，如圖3（a）所示。
（2）靜態(tài)描述
由同步字、傳輸方向、源地址、結束符及其它6種數(shù)據(jù)對象構成，如圖3（b）所示。同步字標志一幀數(shù)據(jù)的開始；傳輸方向說明當前是工作在控制方向還是標志測方向；源地址說明報文的發(fā)送設備地址；結束符標志一幀報文的尾；其它對象指向所有不在上述靜態(tài)描述之中的控制元素對象鏈的隊首。靜態(tài)描述中的每個控制元素對象都有本規(guī)約內全局統(tǒng)一的標識號（ID）。
（3）動態(tài)描述
用于描述隨時間具體因素控制而不斷變化的信息，它包括幀號對象、校驗碼對象、報文長度對象、數(shù)據(jù)對象、請求命令對象、應答命令對象、目的地址對象及其它對象，如圖3（c）所示。幀號是完整報文的分幀傳送，規(guī)約規(guī)定的報文幀的幀長是有限的；超限時分幀傳送，發(fā)送方指明幀號，接受方按幀號重新組裝。校驗碼對象用于傳輸差錯控制，檢驗一幀報文的合法性。報文長度對象管理并指明有效數(shù)據(jù)的長度。數(shù)據(jù)對象按應答命令對象指明的類型組織該類數(shù)據(jù)。目的地址對于控制方向，指明服務的設備地址，它可能向多個設備輪流請求；對于監(jiān)測方向，指明請求服務的設備地址。數(shù)據(jù)對象取決于具體規(guī)約的定義。應答命令對換快捷指明應答數(shù)據(jù)對象的類型。請求命令對象指明控制方向，向目的設備下發(fā)請求數(shù)據(jù)狀態(tài)對象命令，并組織報文幀。應答命令對象和請求命令對象管理的措施與數(shù)據(jù)狀態(tài)對象相同。當然，應答數(shù)據(jù)狀態(tài)表和請求命令表是靜態(tài)的，在此便于說明；而數(shù)據(jù)狀態(tài)對象表是動態(tài)的。
動態(tài)描述中的控制元素對象和數(shù)據(jù)元素對象也都由本規(guī)約內全局統(tǒng)一的ID號來識別；ID號由ID注冊管理程序生成，填寫規(guī)約自己所賂的ID注冊表。
（4）靜態(tài)對象和動態(tài)對象公有的屬性
①順序號對象：如前所述，它指明某一元素對象在報文流中的起始位置和所占的連續(xù)二進制位數(shù)。
②ID號對象是全局統(tǒng)一的，它由六段依次連接而成，即一段、二段、三段、四段、五段、六段。根據(jù)ID可以識別提取不同的元素對象，它是各控制元素和數(shù)據(jù)元素的唯一標識。
一段是注冊后的規(guī)約ID號，高段的位數(shù)由規(guī)約ID號位數(shù)決定。二段是區(qū)分上行與下行，用一位二進制位就可區(qū)分。三段用于說明具體的規(guī)約是否含有對應的元素對象，它說明的是有與無。四段用于區(qū)分源地址、目的地址、傳輸方向、同步字、其它靜態(tài)對象、幀號、校驗碼、報文長度、請求命令符、應答命令符、其它動態(tài)對象和數(shù)據(jù)對象，共12種，用4位二進制位就可區(qū)分。五段用于說明四段之中的每一種是否具有原子性，比如同步字就具有原子性。當子種類多于一個同步字時，也相當于一個，要發(fā)就全發(fā)，不可分割；而請求命令符就不具有原子性，只能發(fā)出其子種類之中的一種。原子性是個布爾量，一位二進制就可描述。六段用于說明當上述12種之中任一種超過一個時，就可用第5段描述，比如同步字6個，就得用三位，選取上述12種之中子種類最多的一個和為第五段的位數(shù)。
③拷貝、賦值、被拷貝：在報文流中的其它類元素對象中，當出現(xiàn)與已有定義的控制元素對象表示值重復時，引進對象的拷貝與被拷貝屬性。賦值屬性說明該元素指的是已獨立的定義值。相應的，引入拷貝與賦值操作。
（5）邏輯描述信息
邏輯描述信息由下列表構成：
①控制方發(fā)送的命令被監(jiān)測方收到后，監(jiān)測方予以應答的數(shù)據(jù)對象ID對應關系表；
②控制方收到監(jiān)測方的狀態(tài)指示后，控制方應響應的發(fā)送命令ID對應關系表；
③控制方發(fā)送輪詢命令ID時間間隔表；
④控制方的人工干預控制命令ID表；
⑤監(jiān)測方的主動上報數(shù)據(jù)表、狀態(tài)ID表；
⑥控制方發(fā)送命令ID優(yōu)先級的規(guī)則表；
⑦監(jiān)測方應答數(shù)據(jù)與主動上報的ID優(yōu)先級規(guī)則表；
⑧二級封裝規(guī)則表。
2.2 規(guī)約控制埠CPCB
通信平臺的某一通信進程在運行時，如未匹配通信規(guī)約，則運行空規(guī)約。如收到控制臺發(fā)來的匹配命令，則從規(guī)約注冊表中提取規(guī)約說明書，并從空白CPCB鏈表中摘下一個，將它鏈入運行CPCB鏈表，按照規(guī)約說明書的內容填寫該CPCB，填寫完畢即投入運行。這樣，在邏輯規(guī)則的控制下，各靜態(tài)對象和動態(tài)對象各司其職而又發(fā)送消息協(xié)同工作，整個平臺就會有條不紊地動作。
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