AnyWhere——面向設(shè)備的編程模式

嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程模式
    嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同源，可是因?yàn)閼?yīng)用領(lǐng)域和研發(fā)人員的不同，嵌入式系統(tǒng)很早就走向相對(duì)獨(dú)立的發(fā)展道路，其編程模式與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有較大的區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程模式有面向寄存器的編程模式、面向API的編程模式、面向端口的編程模式等，其中面向寄存器的編程模式仍然占主導(dǎo)地位。
1．1 面向寄存器的編程模式
    嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，其中硬件是基礎(chǔ)，所有的嵌入式軟件都會(huì)直接或間接地操作硬件。所謂“面伺寄存器的編程”，就是軟件直接操作硬件提供的編程接口來(lái)編寫(xiě)嵌入式軟件的編程模式。目前，本地硬件提供的編程接口大多數(shù)為寄存器，它們通常映射到軟件能夠直接訪問(wèn)的I／O空間或存儲(chǔ)器空間。
    面向寄存器的編程模式的基本步驟如圖1所示，這是一個(gè)蜂鳴器鳴叫的程序。由此可以看出，面向寄存器的編程模式需要對(duì)硬件細(xì)節(jié)非常了解，這是非常繁瑣和容易出錯(cuò)的，并且對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求較高。
    一句話形容：面向寄存器的編程模式就是自己既作將軍又作士兵，眉毛胡子一把抓。
1．2 面向API的編程模式
    面向寄存器的編程模式非常麻煩，效率低下，不是人人都能勝任的。為了方便嵌入式軟件的編寫(xiě)，有些公司編寫(xiě)軟件把硬件屏蔽起來(lái)形成API，應(yīng)用軟件則通過(guò)這些API接口訪問(wèn)硬件。這種通過(guò)第三方軟件提供的接口來(lái)訪問(wèn)硬件的編程模式就是面向API的編程模式。
    即使相同的硬件，不同公司提供的API也有很大的出入。有些僅僅提供了一些程序庫(kù)，對(duì)硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單封裝。而有的則提供標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)接口，如WinCE、嵌入式Linux和VxWorks等。
    所有這些API一般是面向本地硬件和部分特定總線(如PCI、USB)的遠(yuǎn)程硬件的。
    面向API編程模式的基本步驟如圖2所示?？梢钥闯觯嫦駻PI的編程模式只需要對(duì)硬件細(xì)節(jié)有大概的了解即可，但需要對(duì)API手冊(cè)進(jìn)行詳細(xì)閱讀才能開(kāi)發(fā)。不同系統(tǒng)的API可能完全不同，換一種系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員就需要重新熟悉新的API。另外，不同系統(tǒng)的API功能和性能差異極大，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求也有較大的差別。一句話形容：面向API的編程模式就是手把手教別人干活。

1．3 面向端口的編程
    面向端口編程是PLC(可編程邏輯控制器)的編程模式。PLC把所有硬件都虛擬成端口，通過(guò)對(duì)端口的讀寫(xiě)完成對(duì)硬件的控制。PLC最初是為了替代繼電器編程，對(duì)復(fù)雜程序的支持比較弱，對(duì)遠(yuǎn)程硬件的支持也比較弱(主要支持PLC廠商自己的配件)。

2 嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)編程方法的困境
2．1 對(duì) 比
    各種傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)編程模式有各自特點(diǎn)，如表1所列。

2．2 困 境
    最初，嵌入式系統(tǒng)都是獨(dú)立工作的。傳統(tǒng)的編程模式都是面向獨(dú)立的微控制器(微處理器)，操作的硬件都是本地硬件。
    隨著時(shí)間的推移，嵌入式系統(tǒng)由獨(dú)立工作走向了網(wǎng)絡(luò)控制(典型的系統(tǒng)就是集散控制系統(tǒng))，此時(shí)嵌入式系統(tǒng)的編程模式依然是面向獨(dú)立的微控制器(微處理器)。要把這些嵌入式系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，需要為所有控制器增加兼容的通信接口硬件，并設(shè)計(jì)兼容的通信協(xié)議。而且，每個(gè)系統(tǒng)需要對(duì)硬件通信接口編程及對(duì)通信協(xié)議編程后才可能組成網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)設(shè)計(jì)無(wú)疑是復(fù)雜的。
    用面向寄存器的編程模式編寫(xiě)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的步驟如圖3所示，面向API的編程模式的步驟如圖4所示。圖3、圖4的右邊是編寫(xiě)控制遠(yuǎn)程蜂鳴器鳴叫程序的步驟。至于面向端口的編程模式，目前主要是PLC，它的開(kāi)發(fā)步驟比較簡(jiǎn)單，讀者可以參考PLC的開(kāi)發(fā)手冊(cè)。不過(guò)，PLC一般支持有限的遠(yuǎn)程設(shè)備，并且成本高昂，很多時(shí)候并不適用。通過(guò)圖3和圖4可以看出，對(duì)于聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，這兩種編程模式的步驟基本相同。面向寄存器的編程模式開(kāi)發(fā)難度很大，而面向API的編程模式相對(duì)小一些，不過(guò)任務(wù)依然艱巨。

    各種編程模式的對(duì)比如表2所列。

    現(xiàn)在，組網(wǎng)的范圍更加廣泛：不但需要本地組網(wǎng)，還需要遠(yuǎn)程組網(wǎng)；不但控制設(shè)備之間需要互連，控制設(shè)備與普通計(jì)算機(jī)之間還需要互連，以及不同廠商的設(shè)備之間也要互連。這些要求無(wú)疑加劇了系統(tǒng)編程的復(fù)雜性。

[!--empirenews.page--]3 面向設(shè)備的編程模式
3．1 范 例
    面向設(shè)備的編程模式是由面向API的編程模式和面向端口的編程模式繼承發(fā)展而來(lái)的，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的缺點(diǎn)，同時(shí)極大地增強(qiáng)了組網(wǎng)能力。

    這里依然以開(kāi)發(fā)控制遠(yuǎn)程蜂鳴器的嵌入式系統(tǒng)為例，其開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。圖5的左邊是面向設(shè)備的編程模式，右邊是開(kāi)發(fā)步驟。
    通過(guò)查看遠(yuǎn)程設(shè)備圖，得知蜂鳴器的端口地址為0x1111，寫(xiě)1為鳴叫，寫(xiě)0為停止鳴叫。
    這種編程模式非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上延時(shí)功能已經(jīng)定義成本地端口，真實(shí)的程序?qū)⒏?jiǎn)單。面向設(shè)備編程模式與傳統(tǒng)編程模式的對(duì)比如表3所列。

3．2 設(shè)計(jì)目標(biāo)
    針對(duì)目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困境，本文提出“面向設(shè)備的編程”這一概念。研發(fā)人員不需要考慮硬件細(xì)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，使用同一種方式操作本地硬件和遠(yuǎn)程硬件。
    與傳統(tǒng)編程模式不同，面向設(shè)備的編程模式把所有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。研發(fā)人員只需要知道設(shè)備地址和設(shè)備內(nèi)端口地址的分配即可，不需要知道設(shè)備如何連接到系統(tǒng)，可以通過(guò)有限的幾個(gè)函數(shù)操作設(shè)備。
3．3 特 點(diǎn)
    AnyWhere最大的特點(diǎn)是著眼于系統(tǒng)，是系統(tǒng)級(jí)解決方案。一個(gè)系統(tǒng)中的所有嵌入式設(shè)備都使用AnyWhere兼容設(shè)備，整體效果最佳。除了這個(gè)特點(diǎn)外，AnyWhere還有以下特點(diǎn)：
    ①使用ANSI C編程。將來(lái)可能增加編程語(yǔ)言支持。
    ②編程接口統(tǒng)一。無(wú)論操作設(shè)備的什么功能，都使用有限的幾個(gè)函數(shù)操作。
    ③編程不區(qū)分遠(yuǎn)程設(shè)備和本地硬件。系統(tǒng)保留1個(gè)系統(tǒng)地址(符號(hào)為AW_LOCAL_ADDR，值為0x00000000)用于識(shí)別本地設(shè)備，用這個(gè)地址操作的就是本地設(shè)備。大多數(shù)情況下，設(shè)備也可以使用設(shè)備的真實(shí)地址來(lái)訪問(wèn)本地硬件。這樣，設(shè)備可以使用同樣的接口訪問(wèn)本地硬件和遠(yuǎn)程設(shè)備。
    ④多協(xié)議多網(wǎng)絡(luò)支持。AnyWhere默認(rèn)協(xié)議計(jì)劃支持RS232、RS485、RS422、以太網(wǎng)、CAN、USB等網(wǎng)絡(luò)。AnyWhere還計(jì)劃支持ModeBus、iCAN、CANOpen、DeviceNet、J1939、DMX512、MVB等協(xié)議。用戶(hù)還可以通過(guò)多協(xié)議接口增加特定的協(xié)議。
    ⑤協(xié)議及鏈路自動(dòng)動(dòng)態(tài)匹配。研發(fā)人員只需要知道設(shè)備的地址就可以編程，而不需關(guān)心主控設(shè)備與被控設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議匹配問(wèn)題。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇兩者均支持(并且當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持)的協(xié)議。如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)再次主動(dòng)選擇協(xié)議。這些過(guò)程都是透明的，研發(fā)人員無(wú)需關(guān)心。
    ⑥提供被控設(shè)備編程接口。用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)接口設(shè)計(jì)特殊的被控設(shè)備。

4 基本設(shè)計(jì)思想
    (1)總體設(shè)計(jì)思想
    AnyWhere把所有用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。依據(jù)其在系統(tǒng)中的作用，把嵌入式系統(tǒng)分為主控設(shè)備和被控設(shè)備兩類(lèi)。
    主控設(shè)備通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)用來(lái)控制被控設(shè)備。每當(dāng)主控設(shè)備調(diào)用AnyWhere的主機(jī)接口核心函數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的被控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)。被控設(shè)備的函數(shù)執(zhí)行完畢后，把返回值和執(zhí)行結(jié)果反饋給主控設(shè)備，主控設(shè)備獲得執(zhí)行結(jié)果，函數(shù)返回。
    (2)基本框圖
    AnyWhere的基本框圖如圖6所示。

    (3)一般處理流程
    為主控設(shè)備訪問(wèn)遠(yuǎn)程設(shè)備中awRead()函數(shù)的一般處理流程是：主控設(shè)備首先查找ARP表，如果ARP表中存有被控設(shè)備信息，調(diào)用被控設(shè)備函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行；如果ARP表中不存在此遠(yuǎn)程設(shè)備的情況，則需要請(qǐng)求添加此設(shè)備；在遠(yuǎn)程設(shè)備添加成功后，調(diào)用被控設(shè)備函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行；程序處理完成后應(yīng)答返回。

5 主要的用戶(hù)編程接口
5. 1 主控設(shè)備編程接口(核心編程接口)
    這是一般用戶(hù)使用的接口，也是最常用的API。這部分有4個(gè)函數(shù)，分別是awRead()、awWrite()、awReadEx()和awWriteEx()。其中函數(shù)awRead()和awWrite()是對(duì)指定設(shè)備的指定端口用默認(rèn)的模式讀寫(xiě)，讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)化為32位無(wú)符號(hào)數(shù)。而awReadEx()和awWriteEx()用于對(duì)端口一次讀寫(xiě)多個(gè)數(shù)據(jù)，需要指定讀寫(xiě)模式，這個(gè)模式還必須與端口的模式一致。
5．2 被控設(shè)備編程接口
    在設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，被控設(shè)備一般會(huì)選擇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，不需要用戶(hù)編程。如果使用非標(biāo)準(zhǔn)的被控設(shè)備，就需要進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。從圖6可以看出，被控設(shè)備的應(yīng)用程序僅僅是初始化而已。如果用戶(hù)選擇廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的半成品模塊，大多數(shù)情況下也無(wú)需開(kāi)發(fā)，只需通過(guò)向?qū)?PC機(jī)程序)配置需要的功能就可以生成需要的代碼。如果這些半成品模塊不能完全滿足系統(tǒng)需求，就要進(jìn)行研發(fā)。