基于VxWorks實時操作系統(tǒng)的通信模型設(shè)計

軟件設(shè)計中模塊化的思想已日益普遍，模塊化的設(shè)計能夠使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于維護，開發(fā)起來也更加高效。大型軟件通常由多個功能模塊構(gòu)成，模塊的功能實現(xiàn)又是由多個線程所支撐的。諸如windows，Linux類型的操作系統(tǒng)自身能夠?qū)€程間的通信進行較好的管理，不需要過多的關(guān)心底層。而VxWorks是一個多任務(wù)系統(tǒng)，任務(wù)是系統(tǒng)最基本的執(zhí)行單元。功能模塊間的通信也就是任務(wù)間的通信，VxWorks對任務(wù)間通信的管理遠沒有windows的完善。在模塊數(shù)量多，通信業(yè)務(wù)大的情況下VxWorks提供的任務(wù)間通信機制不能很好的滿足實時性與資源利用的要求。本文提出了一種任務(wù)間的通信模型，將用于網(wǎng)絡(luò)通信的UDP方式引進到任務(wù)間的通信中，使通信更加靈活和便于管理，改善了整個系統(tǒng)的性能。

多任務(wù)實時操作系統(tǒng)VxWorks簡介
VxWorks操作系統(tǒng)是一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，具有可靠高、實時性強、可裁減性的特點。VxWorks為程序員提供了高效的實時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實時的系統(tǒng)資源以及任務(wù)間通信。應(yīng)用程序員可以將精力放在應(yīng)用程序本身，而不必關(guān)心系統(tǒng)資源的管理。VxWorks可以支持多達256個任務(wù)，支持二進制信號量、互斥信號量、消息郵箱等資源共享方式。高效實時的多任務(wù)內(nèi)核使得VxWorks能同時面對多個系列的MPU、MCU、DSP提供類同的API接口，其良好的移植性在跨處理器平臺上只需要修改1%～5%的代碼。

良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使VxWorks在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。

傳統(tǒng)模塊間通信方式存在的問題
嵌入式操作系統(tǒng)大多用于對實時性要求較高的場合，由于體積和成本的限制，嵌入式系統(tǒng)的資源和運行速度都不能和PC機相比。因此在此類系統(tǒng)上開發(fā)的應(yīng)用程序的效率和減少資源消耗是十分重要的。VxWorks是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)的任務(wù)間通信模型有以下幾種：共享內(nèi)存、信號量和消息隊列三種，這幾種方式都有其不足的地方。

共享內(nèi)存方式使用全局變量或緩存，對于大型而復(fù)雜的程序，多個任務(wù)同時對一個變量進行讀寫操作會引起沖突或緩從區(qū)的溢出。信號量的通信模型雖然可以很好的起到互斥作用，但在多個任務(wù)同時與某一任務(wù)通信時就會產(chǎn)生對信號量的競爭，引起通信發(fā)起端的排隊，降低系統(tǒng)的效率。消息隊列可以通過異步的消息傳送模型避免了由于信號量引起的排隊問題，但任務(wù)數(shù)量較多時所需要的隊列數(shù)量過大，會耗費大量系統(tǒng)資源。模塊數(shù)量多，通信量大引起的任務(wù)排隊和資源耗費會對VxWorks的實時性和系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。下面介紹的通信模型在克服以上問題方面有著一定的優(yōu)勢。

通信模型的原理與性能分析
整個通信模型由業(yè)務(wù)模塊、UDP插口、虛擬設(shè)備控制器（DEV）和統(tǒng)一定時器四部分組成。模塊間采用基于UDP的通信方式進行信息交互，通過一種虛擬設(shè)備控制器（DEV）的概念將UDP插口與業(yè)務(wù)模塊綁定，兩者之間呈現(xiàn)一種松耦合的關(guān)系。每個模塊擁有屬于自己的DEV，負責(zé)管理UDP插口與其他模塊進行交互。統(tǒng)一定時器負責(zé)協(xié)調(diào)和控制業(yè)務(wù)模塊發(fā)送消息的時機。統(tǒng)一定時器與DEV相結(jié)合共同完成模塊間的通信。

UDP本來是一種面向無連接的網(wǎng)絡(luò)通信方式，把它引入到一個程序的內(nèi)部作為通信手段需要考察其可靠性。UDP通信雖然是面向無連接的，在網(wǎng)絡(luò)情況不好時有可能產(chǎn)生丟包，但由于程序是在一臺主機上運行，程序內(nèi)各個模塊之間的交互也只限于本機上，并不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，所以UDP包丟失的概率很小，通信可靠性是完全能夠得到保證的。通信模型的原理圖如下：

圖1 通信模型原理圖

1 虛擬設(shè)備控制器（DEV）的概念
虛擬設(shè)備控制器（DEV）本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個模塊通過聲明這樣一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來獲得屬于自己的DEV。DEV中記錄了有關(guān)UDP插口的信息，模塊號或模塊名稱。DEV中還包括兩個環(huán)形緩沖區(qū)用于和模塊進行數(shù)據(jù)交互。UDP插口是與DEV緊密結(jié)合在一起的，但并不與模塊直接聯(lián)系，也就是說一個UDP并不固定屬于某一模塊，他們之間是一種松耦合的關(guān)系。DEV概念的引入將UDP套接字抽象為一種虛擬設(shè)備，供模塊使用。使通信功能與模塊的業(yè)務(wù)功能相互分離，更加獨立，提高了效率。模塊與UDP插口間也可以通過DEV進行靈活的配置與釋放。DEV的結(jié)構(gòu)如下：
Struct DEV
{
int Module_ID;     //記錄模塊號；
int SocketKind;    //記錄插口類型；
int socket_ID;    //記錄socket句柄
struct RINGBUF_t m_Buf[2];    //兩個環(huán)形緩沖區(qū)：[0]用于輸入[1]用于輸出
}
軟件初始化時可以申請若干個空閑DEV設(shè)備，當某一業(yè)務(wù)模塊啟動時可以申請一個空閑的DEV供自己使用。將DEV結(jié)構(gòu)體變量中的Module_ID填上該業(yè)務(wù)模塊的號碼就完成了模塊與DEV的綁定。再申請一個UDP插口，將插口句柄存放在DEV結(jié)構(gòu)體的socket_ID變量中就完成了UDP與DEV的結(jié)合，這樣業(yè)務(wù)模塊就通過DEV與UDP建立了聯(lián)系，模塊可以通過DEV來控制和使用該UDP進行通信。當模塊不再需要使用UDP時，或者UDP插口出現(xiàn)故障時，可以將其擁有的DEV中的Module_ID和socket_ID置為0，取消模塊與DEV的連接，完成對UDP的釋放。當模塊再次需要使用UDP時，可以重新申請DEV和UDP。這種送耦合的方式使得模塊的正常運行不受UDP的影響，提高了程序的可靠性。

2 統(tǒng)一定時器的作用
統(tǒng)一定時器負責(zé)協(xié)調(diào)所有的UDP發(fā)送。程序初始化后啟動統(tǒng)一定時器，定時器的時間一到就會執(zhí)行特定的動作。它將輪詢所有的DEV，將DEV發(fā)送緩存中的內(nèi)容通過UDP發(fā)送出去。

3 通信的實現(xiàn)過程
①UDP消息的發(fā)送
當模塊A的某個任務(wù)需要與其他模塊通信時，它將把信息打包通過UDP方式發(fā)送給其他模塊。模塊A的任務(wù)（線程）將需要發(fā)送的消息包放入DEV的1號緩存中，統(tǒng)一定時器每到一定的時間就輪詢所有的DEV，如果有信息等待發(fā)送就通過該DEV所控制的UDP插口將信息發(fā)往目的地。

② UDP消息的接收
如圖2所示，每個模塊有一個監(jiān)視任務(wù)（線程），負責(zé)定時監(jiān)視該模塊對應(yīng)的DEV所控制的UDP端口，一旦UDP接收到消息，該線程負責(zé)將收到的消息從UDP的緩存中讀出存放到DEV的0號緩存中。模塊的其他工作任務(wù)需要獲得消息時可以從0號緩存中讀取并解析消息。

圖2 UDP消息的接收

4 通信模型的性能分析
上述通信模型采用準異步的方式，發(fā)送消息時各模塊同步，接收消息時異步。能夠避免多模塊通信時的沖突，并且能夠節(jié)省資源，在效率上優(yōu)于傳統(tǒng)的通信模型。松耦合的映射關(guān)系使得模塊與通信端口之間能夠靈活的結(jié)合與釋放，給軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了較大的自由。

①效率：采用了定時器輪詢的消息發(fā)送方式，避免任務(wù)通信的沖突。模塊向其他模塊發(fā)送UDP消息時只需要將消息打包放入DEV的發(fā)送緩存中，包的發(fā)送工作由統(tǒng)一定時器完成。模塊本身并不關(guān)心數(shù)據(jù)包的發(fā)送，將包放入DEV后就可以進行其他的工作。在多個模塊同時與某一模塊通信的情況下這種方式不會出現(xiàn)信號量模型中排隊等待信號量的現(xiàn)象，提升了系統(tǒng)的效率，實時性得到了保證。由于所有模塊的發(fā)送都由定時器完成，程序代碼得到了精簡，增強了代碼的共用性。

②資源的利用：由于采用了UDP這種較為靈活的通信方式，模塊間需要通信時才發(fā)送消息，而不必在各個模塊間建立多條消息隊列。當模塊數(shù)較大時，這種方式在資源的節(jié)約上體現(xiàn)得更加明顯。例如：有n個模塊，兩兩間建立一對消息隊列就需要（n-1）!對隊列，程序要維護大量的消息隊列，資源消耗嚴重。采用本文的通信模型將會節(jié)約有限的系統(tǒng)資源，充分適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

③消息堆積問題的解決：傳統(tǒng)通信模型中，模塊發(fā)送消息是不加限制的。只要有消息需要發(fā)送就立刻調(diào)用發(fā)送函數(shù)，如果多個模塊在一段時間內(nèi)同時向一個模塊發(fā)送消息，而接收消息的模塊又來不及處理，消息不斷的堆積就會引起緩沖區(qū)的益處。采用統(tǒng)一定時器的方法在一定程度上使消息的發(fā)送有序和受限，在定時器兩次輪詢某一模塊的間歇期模塊就能夠處理前一次收到的消息，為接收新的消息作好準備。只要定時器的定時時間設(shè)置合適，就能夠避免緩沖區(qū)的溢出。

通信模型的實現(xiàn)
Vxworks是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，模型的各個組成部分可以通過任務(wù)來實現(xiàn)，VxWorks的網(wǎng)絡(luò)編程接口和定時器使用起來十分方便，對用戶提供了開放的API。只需要使用socket（），send（），receive（），CreateTimer（），SetTimer（）等函數(shù)就能夠?qū)μ捉幼趾投〞r器進行操作。在程序的初始化過程中可以先開啟定時器任務(wù)，然后產(chǎn)生足夠數(shù)量的DEV，接下來順序啟動各個模塊。啟動每個模塊的過程中，首先申請一個空閑的DEV，然后產(chǎn)生一個UDP套接字，將套接字與DEV建立映射關(guān)系。完成了模塊與DEV的綁定后，啟動一個監(jiān)視任務(wù)（Moniter_Task）監(jiān)視UDP端口。到此，通信模型建立完畢。最后啟動模塊的其他工作任務(wù)開始正常的業(yè)務(wù)流程。

結(jié)束語
本文提出了一種不同于傳統(tǒng)通信機制的模塊間通信模型。將用于網(wǎng)絡(luò)通信的UDP方式引入到程序內(nèi)的模塊間通信中，避免了傳統(tǒng)方式可能引起的降低效率與資源耗費過多問題。通過送耦合的連接方式增強了程序的靈活性。在實驗中，這種基于UDP方式的虛擬設(shè)備綁定的通信模型取得了較好效果，在對實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有著較高的價值。