2.串口通信服務器的體系結(jié)構(gòu)

在實際應用中，各種監(jiān)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(shù)據(jù)的傳輸速率和數(shù)據(jù)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(fā)）協(xié)議傳輸?shù)牡退俾蕯?shù)據(jù)，又有利用HDLC（high-level data link cont rol,高級數(shù)據(jù)鏈路控制）等協(xié)議傳輸?shù)母咚俾蕯?shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求也有很大區(qū)別：既有非實時性的串行數(shù)據(jù)傳輸，也有對實時性要求比較嚴格的串行數(shù)據(jù)，如音、視頻數(shù)據(jù)，高速設備的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)等。如何有效的將各種串行設備合理的接入IP網(wǎng)絡，以實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式遠程監(jiān)控呢？論文根據(jù)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(jié)構(gòu)，該串口通信服務器能夠較好的將各種串行設備接入IP網(wǎng)絡，并且在實時性方面有比較突出的表現(xiàn)：能夠?qū)⒏鞣N高速、實時性的音視頻數(shù)據(jù)快速接入IP網(wǎng)絡，以實現(xiàn)基于IP網(wǎng)絡的遙測遙控。               　

圖1 串口通信服務器體系結(jié)構(gòu)

在圖1所示的串口通信服務器體系結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)；嵌入式實時操作系統(tǒng)主要完成各種任務的實時調(diào)度、中斷管理、系統(tǒng)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(qū)動程序；FEC(Fast Ethernet Controller,快速以太網(wǎng)控制器)驅(qū)動程序提供雙工100/10M自適應以太網(wǎng)控制器驅(qū)動；雙內(nèi)核的嵌入式微處理器用于運行操作系統(tǒng)、應用程序、配置程序以及通信協(xié)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(xiàn)

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(jù)圖1所示的通信服務器體系結(jié)構(gòu)，論文選用Freescale公司的雙內(nèi)核嵌入式微處理器MPC860T。它是一款集成了雙內(nèi)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(wǎng)絡領域有著優(yōu)異的性能，其組成如圖2示?；赑owerPC體系結(jié)構(gòu)的MPC8xx內(nèi)核主要負責操作系統(tǒng)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(zhí)行通信協(xié)議的底層代碼以及控制DMA。SIU主要負責系統(tǒng)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(wǎng)控制功能，它提供獨立的FIFO和突發(fā)DMA，因此可以在不影響CPM性能的情況下提供10/100M以太網(wǎng)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(wǎng)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(xié)議和HDLC協(xié)議是串口通信常用的兩種通信協(xié)議，并且HDLC是其它眾多協(xié)議（如SDLC、SS＃7等）的基礎，因此該通信服務器的串口協(xié)議采用HDLC和UART?；贛PC860T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，

圖3 串口通信服務器組成框圖

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(shù)據(jù)傳輸，快速接入以太網(wǎng)；2個SMC通道獨立工作在UART模式提供低速率的數(shù)據(jù)通信，SMC1提供系統(tǒng)級和任務級調(diào)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(shù)，SMC2提供低速的串口通信。FEC接口提供雙工100/10M 以太網(wǎng)接入端口；4M的Flash用來存儲操作系統(tǒng)、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(shù)據(jù)等。BDM端口供軟硬件仿真調(diào)試使用，利用VisionProbe通過BDM口可以對軟硬件進行調(diào)試。

4.串口通信服務器的軟件實現(xiàn)

在串口通信服務器中，操作系統(tǒng)也是影響通信服務器整體性能的另一個關鍵因素。根據(jù)圖1所示的體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)VxWorks。VxWorks是美國風河公司推出的一款實時操作系統(tǒng)。它以模塊化構(gòu)造并可高度裁減，這使其能夠在較小的存儲空間中高效穩(wěn)定的運行，非常適合于各種高性能、多任務嵌入式實時系統(tǒng)的開發(fā)，廣泛應用于通信、航空航天等領域。VxWorks系統(tǒng)的構(gòu)成主要有Wind內(nèi)核、I/O系統(tǒng)、BSP以及網(wǎng)絡協(xié)議棧等。

基于VxWorks操作系統(tǒng)構(gòu)建的串口通信服 務器軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。在該軟件系統(tǒng)中，由底向上依次是依賴于通信服務器硬件系統(tǒng)的BSP（包括UART驅(qū)動、HDLC驅(qū)動、config.h配置文件、makefile編譯規(guī)則文件等）和以太網(wǎng)驅(qū)動程序；與硬件無關的操作系統(tǒng)層；屬于應用層的通用服務器配置程序。其中操作系統(tǒng)層由VxWorks提供，服務器配置程序和BSP需要根據(jù)系統(tǒng)硬件具體實現(xiàn)。FEC驅(qū)動需要作為BSP的一部分集成進整個軟件系統(tǒng)，之所以將FEC驅(qū)動單獨列出，是因為FEC驅(qū)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(xiàn)方案。

圖4 串口通信服務器軟件系統(tǒng)

4.1 通信服務器BSP設計與實現(xiàn)

嵌入式系統(tǒng)中的BSP一般都是參考一個經(jīng)過了嚴格測試的、功能比較類似的BSP來設計和實現(xiàn)的，串口通信服務器的BSP就是參考ADS860評估板的BSP來實現(xiàn)的。根據(jù)串口通信服務器的體系結(jié)構(gòu)和硬件實現(xiàn)，BSP的實現(xiàn)需要做以下工作：

將MPC860T的SCC1～SCC4通道設置成HDLC模式，實現(xiàn)HDLC驅(qū)動并將其掛接到VxWorks的TTY系統(tǒng)；

建sysSccSerial.c文件以支持HDLC驅(qū)動模式；

根據(jù)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(shù)符合串口通信服務器的具體要求，去除對10M以太網(wǎng)的支持、添加對100/10M FEC以太網(wǎng)的支持；

其中HDLC驅(qū)動程序的實現(xiàn)是BSP開發(fā)中的重要一環(huán)，因為SCCx通道的HDLC驅(qū)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(xiàn)

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(shù)而提供的應用程序。它基于C/S模式構(gòu)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(shù)主要包括SMC2 的UART協(xié)議相關參數(shù)和SCCx 的HDLC協(xié)議相關參數(shù)。

5.結(jié)束語

利用VxWorks實時操作系統(tǒng)和MPC860T嵌入式微處理器設計和實現(xiàn)的串口通信服務器性能穩(wěn)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(lián)網(wǎng)的要求，特別適合于對數(shù)據(jù)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(wǎng)絡，從而實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程實時監(jiān)測和控制。