怎样设计一个基于VxWorks的多路高速串口的通信方法？_技术

串口通信具有传输距离远、传输稳定、简单实用等特点，已被广泛应用于工业控制、数据采集、网络通信等领域。在这些应用领域中，串口通信用于实时地从各个串口接收数据，而向各个串口发送的主要是控制信息，一般不要求严格的实时性。因此提高串口设备接收的实时性至关重要。

设备接收到数据时，系统可通过两种途径获取数据包到达的信息。一种是中断方式，利用硬件中断机制实现设备和系统的应答对话，即当外部设备需要CPU处理数据时，设备就发一个中断信号给系统，系统在收到中断请求时要保存中断现场，调用相应的中断服务程序响应设备的中断请求，退出中断处理程序后要恢复现场。上下文的切换要占据系统开销，在数据量过载时会使得中断频率过高，CPU忙于处理硬件中断，上层应用程序对于数据包的处理无法执行，而中断程序还不断往队列中放数据，系统将自陷在中断响应这一环节，产生所谓的“活锁”。另一种是轮询方式，系统每隔一定时间便检查一次物理设备，若设备“报告”有数据到达，则调用相应的处理程序。但固定的轮询周期增加了数据等待处理时间，降低了系统实时性。而且当数据量比较小时，频繁查询没有数据达到的设备也是对CPU资源的浪费。

可见中断和轮询方式都不能满足不同负载情况下系统的实时性要求。本文借鉴Linux系统中NAPI［1］方法，结合中断与轮询的优点，提出一种轮询与中断结合的调度方式。这种调度机制在多串口系统中，当负载在不同的串口通道不均衡时，可以提高CPU的利用效率，并能满足业务的时延要求。另外，根据到达数据量分析得出了轮询、中断切换门限和轮询周期。

1 算法描述

在同一系统中处理相同业务量时，中断和轮询处理的时间相同。因为过程相同，都是把数据从外设缓冲搬移到CPU内存中，所不同的是中断进行上下文切换要占据系统开销，而轮询只是查询一下寄存器状态。相比之下，轮询占用CPU的时间很短，一般中断为几个μs，轮询为几百ns，根据不同系统而有差别。相反，在数据量比较小的情况下轮询中存在空转情况，无疑增加了系统开销。

目前，处理中断和轮询互换的方法有定时中断法（Clocked Interrupts），即设置一个定时器，定时器到时，如果有中断，则响应中断，调用中断服务程序处理数据。这种方法在数据量大时类似于轮询，在负载小时中断由异步事件触发降低了开销。但是这种机制需要一个精确的、频率很高的系统时钟，并且这种方法受固定定时周期的限制，不是在任何情况下都有效。

在并行系统中还应用了一种叫轮询定时（Polling Watchdog）的机制，这种方法主要是为了解决接收处理中的等待时延问题。基本思想就是在轮询接收开始时设置一个看门狗定时器，以满足业务的最小时延要求，而且中断要在接收超时才产生。此方法的不足之处是在负载小时解决不了轮询空转问题。

混合中断、轮询方式（HIP）主要应用在网络接口系统中。工作方式为基于观测接收的负载，改变切换门限，自动在中断和轮询两种方式中切换。中断方式没有考虑到超时中断，当数据到达间隔很大时，会降低实时性。在比较中断和轮询开销时，定义VI+V（B）为中断开销，其中VI为中断的固有开销，V（B）为系统接收B字节数据的开销，VP+V（B）为轮询开销，VP为轮询的固有开销。但在一次轮询和中断接收中，中断和轮询所接收的数据可能不相等，中断开销和轮询开销便失去了比较意义。

以上几种方法均有不足，但在多路串口系统中，还各有不同的特点，即在每个独立的通道可能存在不同的负载情况。如果对全部的串口通道统一应用中断方式或查询方式，则显然不能适应各自串口通道的数据量，不能满足系统实时性和高效率的综合要求。根据这一特点，提出了在多路串口系统中，轮询和中断相结合的接收策略，在中断方式下还灵活应用了批中断技术。

算法描述：

com0=polling.。.comN=polling

For comID←0 up to comMAX

If TI》γ or PU=PUMAX Then

comID=interrupt

DelList（comID）

N路串口的初始状态为轮询，检查轮询队列，如果数据到达间隔时间TI大于门限γ或者轮询空转次数PU等于空转门限PUMAX，则该端口改为中断状态，在轮询队列中删除该端口。根据不同的系统，间隔时间门限γ和空转门限PUMAX的取值不同。

If TI《γ Then

comID=polling

AddList（comID）

在中断状态下，如果数据到达间隔时间TI小于门限γ，则该端口改为轮询状态，在轮询队列中增加该端口。

2 门限设计

如果事件随机发生而且发生频率很低，以致大多数轮询都认为事件没有发生，则中断就会是首选的事件通知机制；如果事件定期发生且可以预测，而大多数轮询都发现事件已发生，则首选机制是轮询。在这两者之间存在这样一种情况，即轮询行为和反应型行为的效果都相同，在它们之间如何选择都无关紧要。这种情况即为所寻找的轮询和中断的切换门限。

2.1 门限度量标准的选择

数据多少的衡量都是以单位时间内的吞吐量计算，即数据速率。如果以吞吐率的多少作为切换门限的标准，则在分组定长情况下，这种计算方法可以近似体现出负载情况，但当分组不定长时就不能体现实际负载了，如图1所示的四种情况。

图1（a）和图1（b）的分组长度不同，但之间的到达间隔都很小。计算得出图1（b）单位时间的吞吐率明显要比图1（a）小，但如果图1（b）采用中断方式，就要频繁地响应中断，效率将大大降低。图1（d）的分组很长，一次接收中接收到的数据非常多，但之间的到达间隔很长，如果计算吞吐率选择的单位时间正好为数据接收时间，在这一段时间内吞吐率很大，则误认为数据量很大，选择轮询方式接收。相比之下，图1（c）和图1（d）选用中断方式更为理想。

根据以上分析可以发现，用数据到达的时间间隔可以近似地表示数据量的大小。如果数据到达间隔很小，且频繁到达，则认为负载很大，选择轮询方式；如果数据到达间隔很大，则认为负载很小，选择中断方式。在轮询方式中，如果根据已知的到达时间，推算出下一数据的到达时间，根据计算出的结果来设定轮询周期，则轮询效率更加提升。

2.2 门限的计算

上述计算到达间隔判断切换时机的方式，不能体现数据到达间隔的变化规律。可选用平均到达时间的均方根和均值的比值作为判断切换的标准，这个比值系数代表了平均到达时间的变化程度。当比值小时表明预测的值与平均值偏差很小，数据到达的间隔时间是有规律的，可以预测。这种情况显然要应用轮询方式，把轮询周期设为平均到达间隔时间。

平均到达间隔时间的计算方法如下式：

式中：D为最后一个数据到达的间隔时间；α为平均到达间隔时间的加权系数，α控制着D相对于以往的到达时间间隔历史所占的比重。用这种方法，平均到达间隔时间就可以积累到达间隔时间了。

平均到达时间的方差用下式估计：

式中：β为到达间隔时间的方差加权系数，且控制估计器的记忆性。σ2开方就得到平均到达间隔时间的均方根σ了。

下式表明了切换到轮询时的门限：

式中：γ为预测门限，为系统可容忍的最大轮询周期，在本系统中为满足上层的应用，为20 ms。表明数据到达间隔规律；表明平均到达间隔小于系统所能忍受的最小间隔。数据到达不频繁，认为满足以上两个条件时切换到轮询模式；当满足的条件相反时，切换到中断方式。

3 实例分析

在可接收10路空中信号的多串口系统中对该算法进行实现，系统结构如图2。该系统可将数据信息（主要为语音数据）接收后转换为以太网数据包，通过10MHz以太网口送出。同时，它从以太网口接收来自控制台的各类指令，完成相应的处理任务。

信号经过1：10功分器，分给10个RF接收模块，完成RF接收，输出串行信号，每路串口为串行信号的最大速率115.2kbps，RF接收模块每20ms发一个数据包，一个数据包最大为30bit。之后串行信号经过3片OX16C954（每片有4路UART）转换成并行总线信号，输出给MPC860T（CPU）。每片OX16C954设置有128B的环形缓冲区，所以经过时间缓冲区就会被写满。为了保证不丢失数据，应该在8.8ms内完成对10个终端接收模块进行一次接收。OX16C954中断门限设为64B，当接收缓冲超过64B时，OX16C954产生接收中断。在OX16C954还设置有超时中断，当从接收最后一个停止位中心开始计时，在四个符号周期内没有接收新的信息，即就产生超时中断。批中断的应用如图3。多个串口通过CPLD共享一个中断源，在中断频繁，多个串口同时产生中断的情况下，实现了批中断，节约了中断资源，提高了中断效率。

本系统的设计基于VxWorks *** 作系统。VxWorks *** 作系统提供对多种处理器的广泛支持，具有完善的开发环境、开放的软件接口、优异的实时性能和全面可靠的网络功能及良好的可裁剪性，适用于各种嵌入式环境的开发。

程序实现过程：系统加电待 *** 作系统启动之后，应用程序首先根据主控和PC机的IP地址，得到它们的MAC地址，为以后进行UDP数据传送做准备；初始化MPC860T的Port C口，把PC12、PC15初始化为数据输出口，分别用于点亮运行时的状态灯和设置/清除硬件看门狗；初始化OX16C954，打开10路串口，接收终端模块的数据；同时向终端模块发送数据，初始化UDP协议栈；最后，进入无限循环中，从各个串口收集数据，解开数据包，以UDP的方式，把话音包发给PC机，把非话音包发给主控；同时，从网络上接收来自主控的UDP数据，根据端口号，把数据转发给各个终端模块。PC机不直接向DPM发送UDP数据，只有主控向各个终端发送数据，故由DPM至PC机的数据为单向。管理看门狗，每循环一次，开关一次看门狗，处理一次状态灯。整个程序的流程如图4所示。

在10路都没有数据的极限情况下测量轮询开销VP。在这种极限情况下，应用全中断的方式，10路串口没有数据不会产生中断，中断开销为0；应用全轮询的方式，CPU每次只查询外部寄存器但不接收数据，所以每次CPU都是空转，测量出来的为轮询的固定开销VP=163.84μs。在这种情况下，中断显然要优于轮询。

3.1 均衡负载

在多路负载均衡的情况下，测量中断吞吐率OI=B1为达到OX16C954中断门限后，触发的接收中断所接收的数据量（B1≥64B）；B2为产生超时中断时所接收的数据量（B2≤64B）。轮询吞吐率OP=B′为轮询接收的数据量。如图5所示，在VxWorks系统中1tick=1/8000（s）。因为设置了中断门限，所以中断在数据量低的时刻有一个跃变；轮询的跃变由轮询的周期设置，如果改变轮询周期，跃变点将发生转移。轮询的吞吐率随输入数据量的增加而呈线性增长；在数据量低时中断要优于轮询，随着数据量的增长轮询就要优于中断，在两者相交的时刻，通过实验可以找到γ和PUMAX的值。

3.2 非均衡负载情况

非均衡负载情况，即m1路数据负载大、m2路数据负载小的情况（m1+m2=10）下，测量OI、OP和OC（中断和轮询相结合的吞吐率）。如图6所示，在横坐标为1处，为m1=3，m2=7的情况，由于应用了批中断，中断的效率要优于轮询，中断和轮询相结合的方法要略优于中断；在横坐标为2处，为m1=5，m2=5的情况，相结合的方法要略优于中断和轮询；在横坐标3处为m1=7，m2=3的情况，相结合的方法近似轮询，要优于中断。