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1.引言 隨著IP技術的迅速發展，“Everything over IP”的觀念已深入人心。如何有效的將物理上分布于各個地方的串行設備接入互聯網，以實現基于IP技術的遙測遙控成為當前研究和應用的一個熱點。論文以嵌入式實時操作系統VxWorks和高性能的嵌入式微處理器MPC860T為軟硬件平臺，提出了一個適合各種速率的串行設備接入IP網絡的高性能通信服務器的解決方案，它充分發揮了操作系統VxWorks的實時性以及嵌入式微處理器MPC860T在網絡、通信方面的卓越性能。利用該通信服務器不但可以將低速率的串行設備接入互聯網，也可以將具有較高速率、對實時性有較高要求的串行設備接入互聯網。 2.串口通信服務器的體系結構 在實際應用中，各種監測、控制設備多以串行通信的方式的和外界通信。而串行設備千差萬別，特別是在數據的傳輸速率和數據格式方面有很大的不同：既有利用UART（universal asynchronous receiver transmitter，通用異步收發）協議傳輸的低速率數據，又有利用HDLC（high-level data link cont rol,高級數據鏈路控制）等協議傳輸的高速率數據；對數據傳輸實時性的要求也有很大區別：既有非實時性的串行數據傳輸，也有對實時性要求比較嚴格的串行數據，如音、視頻數據，高速設備的實時監控數據等。如何有效的將各種串行設備合理的接入IP網絡，以實現基于互聯網的分布式遠程監控呢？論文根據這一需求，提出了一種如圖1所示的串口通信服務器的體系結構，該串口通信服務器能夠較好的將各種串行設備接入IP網絡，并且在實時性方面有比較突出的表現：能夠將各種高速、實時性的音視頻數據快速接入IP網絡，以實現基于IP網絡的遙測遙控。 圖1 串口通信服務器體系結構 在圖1所示的串口通信服務器體系結構中，服務器配置程序為用戶提供了一個基于C/S模式的服務器通信參數配置接口，用戶可以利用運行于個人計算機上的客戶端配置程序與通信服務器的配置串口通信以隨時改變通信參數；嵌入式實時操作系統主要完成各種任務的實時調度、中斷管理、系統資源管理等功能；所謂BSP（Board Support Package，板級支持包）就是針對該通信服務器特定的硬件平臺所編寫的底層程序，它依賴于硬件，主要包括初始化代碼和部分驅動程序；FEC(Fast Ethernet Controller,快速以太網控制器)驅動程序提供雙工100/10M自適應以太網控制器驅動；雙內核的嵌入式微處理器用于運行操作系統、應用程序、配置程序以及通信協議的底層微碼；外圍接口層對外提供各種標準的通信接口，如RS-232、RJ-45等。 3.串口通信服務器的硬件實現 在串口通信服務器中，嵌入式微處理器的性能無疑是影響整個通信服務器性能的一個關鍵因素，根據圖1所示的通信服務器體系結構，論文選用Freescale公司的雙內核嵌入式微處理器MPC860T。它是一款集成了雙內核和豐富的外圍設備的微處理器，可廣泛應用于各種控制領域，特別是在通信和網絡領域有著優異的性能，其組成如圖2示。基于PowerPC體系結構的MPC8xx內核主要負責操作系統和應用程序的運行；CPM模塊擁有獨立的基于RISC的通信處理器，該通信處理器主要為SCC（Serial Communications Controllers，串行通信控制器）、SMC（Serial Management Controllers，串行管理控制器）等通信信道提供服務、執行通信協議的底層代碼以及控制DMA。SIU主要負責系統的啟動、初始化、中斷以及外部總線功能等。FEC提供10/100M以太網控制功能，它提供獨立的FIFO和突發DMA，因此可以在不影響CPM性能的情況下提供10/100M以太網連接。其中4個SCC通道可以獨立配置成HDLC模式、異步HDLC模式、10M以太網模式等；2個SMC通道可以配置成UART模式、透明傳輸模式等。 圖2 嵌入式微處理器MPC860T框圖 在實際應用中UART協議和HDLC協議是串口通信常用的兩種通信協議，并且HDLC是其它眾多協議（如SDLC、SS＃7等）的基礎，因此該通信服務器的串口協議采用HDLC和UART。基于MPC860T的串口通信服務器的硬件組成如圖3所示。在該串口通信服務器中4個SCC通道分別獨立工作于雙工的HDLC模式,以提供高速實時的串行數據傳輸，快速接入以太網；2個SMC通道獨立工作在UART模式提供低速率的數據通信，SMC1提供系統級和任務級調試用串口，用戶可以利用SMC1通過運行在個人計算機上的程序來配置服務器的相關參數，SMC2提供低速的串口通信。FEC接口提供雙工100/10M 以太網接入端口；4M的Flash用來存儲操作系統、用戶應用程序、服務器配置程序等；32M的SDRAM用來運行應用程序、存儲運行過程的數據等。BDM端口供軟硬件仿真調試使用，利用VisionProbe通過BDM口可以對軟硬件進行調試。 圖3 串口通信服務器組成框圖 4.串口通信服務器的軟件實現 在串口通信服務器中，操作系統也是影響通信服務器整體性能的另一個關鍵因素。根據圖1所示的體系結構和所使用的微處理器，論文選用美國風河公司的嵌入式實時操作系統VxWorks。VxWorks是美國風河公司推出的一款實時操作系統。它以模塊化構造并可高度裁減，這使其能夠在較小的存儲空間中高效穩定的運行，非常適合于各種高性能、多任務嵌入式實時系統的開發，廣泛應用于通信、航空航天等領域。VxWorks系統的構成主要有Wind內核、I/O系統、BSP以及網絡協議棧等。 基于VxWorks操作系統構建的串口通信服 務器軟件系統層次結構如圖4所示。在該軟件系統中，由底向上依次是依賴于通信服務器硬件系統的BSP（包括UART驅動、HDLC驅動、config.h配置文件、makefile編譯規則文件等）和以太網驅動程序；與硬件無關的操作系統層；屬于應用層的通用服務器配置程序。其中操作系統層由VxWorks提供，服務器配置程序和BSP需要根據系統硬件具體實現。FEC驅動需要作為BSP的一部分集成進整個軟件系統，之所以將FEC驅動單獨列出，是因為FEC驅動是通用的，僅僅需要在BSP中進行集成。下面主要討論BSP和服務器配置軟件的實現方案。 圖4 串口通信服務器軟件系統 4.1 通信服務器BSP設計與實現 嵌入式系統中的BSP一般都是參考一個經過了嚴格測試的、功能比較類似的BSP來設計和實現的，串口通信服務器的BSP就是參考ADS860評估板的BSP來實現的。根據串口通信服務器的體系結構和硬件實現，BSP的實現需要做以下工作： 將MPC860T的SCC1～SCC4通道設置成HDLC模式，實現HDLC驅動并將其掛接到VxWorks的TTY系統； 建sysSccSerial.c文件以支持HDLC驅動模式； 根據實際需要修改usrconfig.c或是usrSerial.c文件以便將HDLC通道作為標準的I/O設備； 修改config.h、configNet.h、makefile、apc860.h等文件使相關的配置參數符合串口通信服務器的具體要求，去除對10M以太網的支持、添加對100/10M FEC以太網的支持； 其中HDLC驅動程序的實現是BSP開發中的重要一環，因為SCCx通道的HDLC驅動需要滿足高速率、高實時性的要求，它的性能直接決定著整個通信服務器的性能。 4.2 通信服務配置軟件設計與實現 串口通信服務器配置軟件是為用戶實時設置通信服務器的通信參數而提供的應用程序。它基于C/S模式構建：由運行于串口通信服務器上的服務器端配置軟件和運行于用戶個人計算機上的客戶端軟件組成，它們通過計算機的串口和通信服務器的SMC1串口通信。通信服務器的通信參數主要包括SMC2 的UART協議相關參數和SCCx 的HDLC協議相關參數。 5.結束語 利用VxWorks實時操作系統和MPC860T嵌入式微處理器設計和實現的串口通信服務器性能穩定、配置方便，具有很好的實時性，能夠較好的滿足各種串行設備接入互聯網的要求，特別適合于對數據傳輸速率和實時性要求較高的串行設備。利用串口通信服務器可以方便的將各種串行設備接入IP網絡，從而實現基于互聯網的遠程實時監測和控制。 |
