怎樣設計一個基于VxWorks的多路高速串口的通信方法？

串口通信具有傳輸距離遠、傳輸穩定、簡單實用等特點，已被廣泛應用于工業控制、數據采集、網絡通信等領域。在這些應用領域中，串口通信用于實時地從各個串口接收數據，而向各個串口發送的主要是控制信息，一般不要求嚴格的實時性。因此提高串口設備接收的實時性至關重要。

設備接收到數據時，系統可通過兩種途徑獲取數據包到達的信息。一種是中斷方式，利用硬件中斷機制實現設備和系統的應答對話，即當外部設備需要CPU處理數據時，設備就發一個中斷信號給系統，系統在收到中斷請求時要保存中斷現場，調用相應的中斷服務程序響應設備的中斷請求，退出中斷處理程序后要恢復現場。上下文的切換要占據系統開銷，在數據量過載時會使得中斷頻率過高，CPU忙于處理硬件中斷，上層應用程序對于數據包的處理無法執行，而中斷程序還不斷往隊列中放數據，系統將自陷在中斷響應這一環節，產生所謂的“活鎖”。另一種是輪詢方式，系統每隔一定時間便檢查一次物理設備，若設備“報告”有數據到達，則調用相應的處理程序。但固定的輪詢周期增加了數據等待處理時間，降低了系統實時性。而且當數據量比較小時，頻繁查詢沒有數據達到的設備也是對CPU資源的浪費。

可見中斷和輪詢方式都不能滿足不同負載情況下系統的實時性要求。本文借鑒Linux系統中NAPI［1］方法，結合中斷與輪詢的優點，提出一種輪詢與中斷結合的調度方式。這種調度機制在多串口系統中，當負載在不同的串口通道不均衡時，可以提高CPU的利用效率，并能滿足業務的時延要求。另外，根據到達數據量分析得出了輪詢、中斷切換門限和輪詢周期。

1 算法描述

在同一系統中處理相同業務量時，中斷和輪詢處理的時間相同。因為過程相同，都是把數據從外設緩沖搬移到CPU內存中，所不同的是中斷進行上下文切換要占據系統開銷，而輪詢只是查詢一下寄存器狀態。相比之下，輪詢占用CPU的時間很短，一般中斷為幾個μs，輪詢為幾百ns，根據不同系統而有差別。相反，在數據量比較小的情況下輪詢中存在空轉情況，無疑增加了系統開銷。

目前，處理中斷和輪詢互換的方法有定時中斷法（Clocked Interrupts），即設置一個定時器，定時器到時，如果有中斷，則響應中斷，調用中斷服務程序處理數據。這種方法在數據量大時類似于輪詢，在負載小時中斷由異步事件觸發降低了開銷。但是這種機制需要一個精確的、頻率很高的系統時鐘，并且這種方法受固定定時周期的限制，不是在任何情況下都有效。

在并行系統中還應用了一種叫輪詢定時（Polling Watchdog）的機制，這種方法主要是為了解決接收處理中的等待時延問題。基本思想就是在輪詢接收開始時設置一個看門狗定時器，以滿足業務的最小時延要求，而且中斷要在接收超時才產生。此方法的不足之處是在負載小時解決不了輪詢空轉問題。

混合中斷、輪詢方式（HIP）主要應用在網絡接口系統中。工作方式為基于觀測接收的負載，改變切換門限，自動在中斷和輪詢兩種方式中切換。中斷方式沒有考慮到超時中斷，當數據到達間隔很大時，會降低實時性。在比較中斷和輪詢開銷時，定義VI+V（B）為中斷開銷，其中VI為中斷的固有開銷，V（B）為系統接收B字節數據的開銷，VP+V（B）為輪詢開銷，VP為輪詢的固有開銷。但在一次輪詢和中斷接收中，中斷和輪詢所接收的數據可能不相等，中斷開銷和輪詢開銷便失去了比較意義。

以上幾種方法均有不足，但在多路串口系統中，還各有不同的特點，即在每個獨立的通道可能存在不同的負載情況。如果對全部的串口通道統一應用中斷方式或查詢方式，則顯然不能適應各自串口通道的數據量，不能滿足系統實時性和高效率的綜合要求。根據這一特點，提出了在多路串口系統中，輪詢和中斷相結合的接收策略，在中斷方式下還靈活應用了批中斷技術。

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路串口的初始狀態為輪詢，檢查輪詢隊列，如果數據到達間隔時間TI大于門限γ或者輪詢空轉次數PU等于空轉門限PUMAX，則該端口改為中斷狀態，在輪詢隊列中刪除該端口。根據不同的系統，間隔時間門限γ和空轉門限PUMAX的取值不同。

If TI《γ Then

comID=polling

AddList（comID）

在中斷狀態下，如果數據到達間隔時間TI小于門限γ，則該端口改為輪詢狀態，在輪詢隊列中增加該端口。

2 門限設計

如果事件隨機發生而且發生頻率很低，以致大多數輪詢都認為事件沒有發生，則中斷就會是首選的事件通知機制；如果事件定期發生且可以預測，而大多數輪詢都發現事件已發生，則首選機制是輪詢。在這兩者之間存在這樣一種情況，即輪詢行為和反應型行為的效果都相同，在它們之間如何選擇都無關緊要。這種情況即為所尋找的輪詢和中斷的切換門限。

2.1 門限度量標準的選擇

數據多少的衡量都是以單位時間內的吞吐量計算，即數據速率。如果以吞吐率的多少作為切換門限的標準，則在分組定長情況下，這種計算方法可以近似體現出負載情況，但當分組不定長時就不能體現實際負載了，如圖1所示的四種情況。

圖1（a）和圖1（b）的分組長度不同，但之間的到達間隔都很小。計算得出圖1（b）單位時間的吞吐率明顯要比圖1（a）小，但如果圖1（b）采用中斷方式，就要頻繁地響應中斷，效率將大大降低。圖1（d）的分組很長，一次接收中接收到的數據非常多，但之間的到達間隔很長，如果計算吞吐率選擇的單位時間正好為數據接收時間，在這一段時間內吞吐率很大，則誤認為數據量很大，選擇輪詢方式接收。相比之下，圖1（c）和圖1（d）選用中斷方式更為理想。

根據以上分析可以發現，用數據到達的時間間隔可以近似地表示數據量的大小。如果數據到達間隔很小，且頻繁到達，則認為負載很大，選擇輪詢方式；如果數據到達間隔很大，則認為負載很小，選擇中斷方式。在輪詢方式中，如果根據已知的到達時間，推算出下一數據的到達時間，根據計算出的結果來設定輪詢周期，則輪詢效率更加提升。

2.2 門限的計算

上述計算到達間隔判斷切換時機的方式，不能體現數據到達間隔的變化規律。可選用平均到達時間的均方根和均值的比值作為判斷切換的標準，這個比值系數代表了平均到達時間的變化程度。當比值小時表明預測的值與平均值偏差很小，數據到達的間隔時間是有規律的，可以預測。這種情況顯然要應用輪詢方式，把輪詢周期設為平均到達間隔時間。

平均到達間隔時間的計算方法如下式：

式中：D為最后一個數據到達的間隔時間；α為平均到達間隔時間的加權系數，α控制著D相對于以往的到達時間間隔歷史所占的比重。用這種方法，平均到達間隔時間就可以積累到達間隔時間了。

平均到達時間的方差用下式估計：

式中：β為到達間隔時間的方差加權系數，且控制估計器的記憶性。σ2開方就得到平均到達間隔時間的均方根σ了。

下式表明了切換到輪詢時的門限：

式中：γ為預測門限，為系統可容忍的最大輪詢周期，在本系統中為滿足上層的應用，為20 ms。表明數據到達間隔規律；表明平均到達間隔小于系統所能忍受的最小間隔。數據到達不頻繁，認為滿足以上兩個條件時切換到輪詢模式；當滿足的條件相反時，切換到中斷方式。

3 實例分析

在可接收10路空中信號的多串口系統中對該算法進行實現，系統結構如圖2。該系統可將數據信息（主要為語音數據）接收后轉換為以太網數據包，通過10MHz以太網口送出。同時，它從以太網口接收來自控制臺的各類指令，完成相應的處理任務。

信號經過1：10功分器，分給10個RF接收模塊，完成RF接收，輸出串行信號，每路串口為串行信號的最大速率115.2kbps，RF接收模塊每20ms發一個數據包，一個數據包最大為30bit。之后串行信號經過3片OX16C954（每片有4路UART）轉換成并行總線信號，輸出給MPC860T（CPU）。每片OX16C954設置有128B的環形緩沖區，所以經過時間緩沖區就會被寫滿。為了保證不丟失數據，應該在8.8ms內完成對10個終端接收模塊進行一次接收。OX16C954中斷門限設為64B，當接收緩沖超過64B時，OX16C954產生接收中斷。在OX16C954還設置有超時中斷，當從接收最后一個停止位中心開始計時，在四個符號周期內沒有接收新的信息，即就產生超時中斷。批中斷的應用如圖3。多個串口通過CPLD共享一個中斷源，在中斷頻繁，多個串口同時產生中斷的情況下，實現了批中斷，節約了中斷資源，提高了中斷效率。

本系統的設計基于VxWorks 操作系統。VxWorks操作系統提供對多種處理器的廣泛支持，具有完善的開發環境、開放的軟件接口、優異的實時性能和全面可靠的網絡功能及良好的可裁剪性，適用于各種嵌入式環境的開發。

程序實現過程：系統加電待操作系統啟動之后，應用程序首先根據主控和PC機的IP地址，得到它們的MAC地址，為以后進行UDP數據傳送做準備；初始化MPC860T的Port C口，把PC12、PC15初始化為數據輸出口，分別用于點亮運行時的狀態燈和設置/清除硬件看門狗；初始化OX16C954，打開10路串口，接收終端模塊的數據；同時向終端模塊發送數據，初始化UDP協議棧；最后，進入無限循環中，從各個串口收集數據，解開數據包，以UDP的方式，把話音包發給PC機，把非話音包發給主控；同時，從網絡上接收來自主控的UDP數據，根據端口號，把數據轉發給各個終端模塊。PC機不直接向DPM發送UDP數據，只有主控向各個終端發送數據，故由DPM至PC機的數據為單向。管理看門狗，每循環一次，開關一次看門狗，處理一次狀態燈。整個程序的流程如圖4所示。

在10路都沒有數據的極限情況下測量輪詢開銷VP。在這種極限情況下，應用全中斷的方式，10路串口沒有數據不會產生中斷，中斷開銷為0；應用全輪詢的方式，CPU每次只查詢外部寄存器但不接收數據，所以每次CPU都是空轉，測量出來的為輪詢的固定開銷VP=163.84μs。在這種情況下，中斷顯然要優于輪詢。

3.1 均衡負載

在多路負載均衡的情況下，測量中斷吞吐率OI=B1為達到OX16C954中斷門限后，觸發的接收中斷所接收的數據量（B1≥64B）；B2為產生超時中斷時所接收的數據量（B2≤64B）。輪詢吞吐率OP=B′為輪詢接收的數據量。如圖5所示，在VxWorks系統中1tick=1/8000（s）。因為設置了中斷門限，所以中斷在數據量低的時刻有一個躍變；輪詢的躍變由輪詢的周期設置，如果改變輪詢周期，躍變點將發生轉移。輪詢的吞吐率隨輸入數據量的增加而呈線性增長；在數據量低時中斷要優于輪詢，隨著數據量的增長輪詢就要優于中斷，在兩者相交的時刻，通過實驗可以找到γ和PUMAX的值。

3.2 非均衡負載情況

非均衡負載情況，即m1路數據負載大、m2路數據負載小的情況（m1+m2=10）下，測量OI、OP和OC（中斷和輪詢相結合的吞吐率）。如圖6所示，在橫坐標為1處，為m1=3，m2=7的情況，由于應用了批中斷，中斷的效率要優于輪詢，中斷和輪詢相結合的方法要略優于中斷；在橫坐標為2處，為m1=5，m2=5的情況，相結合的方法要略優于中斷和輪詢；在橫坐標3處為m1=7，m2=3的情況，相結合的方法近似輪詢，要優于中斷。