CN100383770C - 一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其核心为：在同步读过程中确定主节点链路层的接收缓冲区中存储的数据的长度小于预定长度时，等待同步读信号量，在异步写过程中确定所述接收缓冲区中存储的数据的长度不小于预定长度时，释放同步读信号量，所述同步读过程获取同步读信号量后调用异步读过程，从所述接收缓冲区中读取数据。本发明通过设置主节点链路层接收缓冲区的同步读、异步读、异步写机制，避免了链路层任务频繁切换的现象，简化了主节点链路层的设计、优化了接收缓冲区的读、写过程，从而实现了优化主节点链路层、提高主节点链路层效率的目的。

Description

一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法

技术领域

本发明涉及主从通信技术，具体涉及一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法。

背景技术

串口通信是计算机系统和外围设备进行通信的常用手段，诸如MPC860、串口扩展通信C654芯片等硬件均提供了4个串口通信通道。通过总线，一个串口通信通道下可以连接多个从节点。串口通信通常采用万能串口协议，万能串口协议是基于字节流的异步通信方式，其串口通信格式为1位起始位、8位数据位、1位强制校验位以区别地址/数据、1位停止位。

基于串口通信的计算机系统和外围设备主要采用主从通信方式，即计算机系统为主节点，外围设备为从节点。在主从通信方式下，链路层的基本通信流程主要包括：轮询流程、命令流程。

主节点与从节点之间的命令流程如附图1所示。

在主、从节点之间的轮询流程中，主节点根据轮询周期轮询从节点，从节点通过寻址确定主节点访问本节点、且在本节点有数据帧上报时的轮询过程如附图2所示。从节点通过寻址确定主节点访问本节点、且本从节点无数据帧上报时的轮询过程如附图3所示。

在多任务环境下，外部操作是可以并发的，如命令流程还没有结束，就又有一条新的高层软件消息需要下发。此时，并发操作转化为一个事件，由链路层处理任务对FIFO(先进先出)队列中的任务循序处理。

由此可知，在多任务环境下，链路层的结构如附图4所示。

在图4中，主节点链路层采用中断回调方式接收从节点数据，接收的从节点数据存储在接收缓冲区中，由链路层处理任务从接收缓冲区中读数据，如在命令流程过程中，主节点发送完命令字节后，从接收缓冲区中读从节点的地址响应。

链路层处理任务的构架以C语言的格式表示为如下形式：

while(1)

{

  阻塞方式，读事件成功；

  switch(事件类型)

     {

  case命令帧：

         调用命令处理流程；break；

  case轮询帧：

         调用轮询处理流程；break；

     }

}

多任务环境下，主节点对从节点的数据接收采用中断回调方式，如附图5中的(a)图所示。主节点的接收缓冲区可以作为临时缓存，由链路层处理任务从缓冲区读数据。例如在命令过程中，主节点发送完命令字节后，从接收缓冲区中读从节点的地址响应数据。

目前，主节点从接收缓冲区中读数据的同步读算法如附图5中的(b)图所示。

在图5中，设定链路层从接收缓冲区中一次读取的数据帧长度为L，任务延时的时间为T，如果接收缓冲区中的有效数据长度小于L，根据当前接收缓冲区的同步读算法，需要使用任务延时来检测接收缓冲区中的有效数据长度，直到接收缓冲区中的有效数据长度达到L，才从接收缓冲区中读取数据。

现有的这种同步读算法没有充分利用实时多任务系统下的同步机制，而且会导致任务频繁切换，从而使同步读算法效率低。

另外，目前主节点轮询从节点的轮询算法为：按照从节点的索引顺序，循环轮询从节点，每个从节点的轮询频率相同。

如附图6中，主节点的串口下连接有6个从节点，则主节点顺序轮询从节点1、2、3、4、5、6、1、2...。

现有的这种轮询算法较简单，在从节点较多时，如果从节点的链路出现异常如节点复位引起的断路现象等，会使主节点轮询链路异常的从节点的耗时较长，如图6中白色节点为链路正常的从节点，带颜色的节点为链路异常的从节点，如果按照现有的从节点轮询算法，由于从节点2、从节点4的链路异常，导致将所有的从节点轮询一遍的时间较长，在链路异常的从节点较多时，会导致系统性能急剧下降，严重时会影响其他正常从节点与主节点的通信。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，通过设置主节点链路层接收缓冲区的同步读、异步读、异步写机制，避免了主节点链路层任务频繁切换的现象，优化了接收缓冲区的读、写过程，提高了主节点链路层的效率。

为达到上述目的，本发明提供的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，包括：

a、在同步读过程中确定主节点链路层的接收缓冲区中存储的数据的长度小于预定长度时，等待同步读信号量，否则，从所述接收缓冲区中读取数据；

b、在异步写过程中确定所述接收缓冲区中存储的数据的长度不小于预定长度时，释放同步读信号量。

c、所述同步读过程获取同步读信号量后调用异步读过程，从所述接收缓冲区中读取数据。

所述接收缓冲区为：环形链表数据结构的接收缓冲区。

所述接收缓冲区由数组实现；

且所述接收缓冲区的读指针指向接收缓冲区当前可读地址、所述接收缓冲区的写指针指向接收缓冲区当前可写地址；

所述接收缓冲区的最大存储空间为：数组的最大长度-1。

所述步骤a进一步包括：

根据同步读过程中的同步读任务号判断是否有任务正在进行同步读过程；

如果有，返回同步读失败信息，本方法结束；

否则，判断接收缓冲区中存储的数据的长度是否小于预定长度；

如果小于所述预定长度，设置同步读任务号有效，将所述同步读过程中的同步读任务阻塞，并等待同步读信号量；

如果不小于所述预定长度，设置同步读任务号无效，调用异步读过程从所述接收缓冲区中读取预定长度的数据，返回同步读成功信息，本方法结束。

所述步骤a还包括：

判断在预定时间间隔内是否接收到同步读信号量；

如果在预定时间间隔内接收到同步读信号量，设置同步读任务号无效，调用异步读过程从所述接收缓冲区中读取数据，返回同步读成功信息，本方法结束；

如果在预定时间间隔内一直未接收到同步读信号量，设置所述同步读任务号无效，清空接收缓冲区，并返回同步读失败信息，本方法结束。

所述步骤b进一步包括：

在异步写过程中，判断所述接收缓冲区中存储的数据长度与需要写入接收缓冲区中的数据长度之和是否超过接收缓冲区的最大存储空间；

如果超过，返回异步写失败信息，本方法结束；

如果未超过，将所述需要写入接收缓冲区中的数据写入所述接收缓冲区，并在存在同步读任务、且所述接收缓冲区中存储数据的数据长度不小于预定长度时，释放同步读信号量。

所述步骤b中将所述需要写入接收缓冲区中的数据写入所述接收缓冲区的步骤具体包括：

根据异步写过程的写地址、写长度将相应的数据写入所述接收缓冲区中；

根据所述写长度调整所述接收缓冲区的写指针。

所述步骤c进一步包括：

所述同步读过程根据同步读信号量调用异步读过程；

根据异步读过程的接收地址、接收长度、所述接收缓冲区的读指针从所述接收缓冲区中读取相应的数据到所述接收地址；

根据所述读取的数据的长度调整所述接收缓冲区中的读指针。

所述方法还包括：

d、分别确定链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率；

e、根据所述链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率轮询所述各从节点。

所述链路正常的从节点的轮询频率高于所述链路异常的从节点的轮询频率；且所述链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率具体包括：

在将链路正常的从节点轮询一遍后，轮询一个链路异常的从节点。

通过上述技术方案的描述可知，本发明通过在同步读过程中调用异步读过程来完成对主节点链路层接收缓冲区的读操作、通过在异步写过程中，对接收缓冲区中存储的数据长度进行判断，并相应释放同步读信号量，避免了主节点链路层任务频繁切换的现象，而且保证了异步读过程的读取成功率，使本发明能够高效、准确的从接收缓冲区中读取数据，使主节点链路层的处理任务在进行同步读接收缓冲区操作时，只需要根据同步读成功信息或等待信号量超时导致的同步读失败信息来做相应处理，简化了主节点链路层的设计，优化了接收缓冲区的读、写过程；通过采用环形链表数据结构的接收缓冲区，提高了接收缓冲区的存储性能；通过对链路正常的从节点和链路异常的从节点采用不同的轮询频率，避免了轮询从节点周期较长、系统性能差等缺点；从而通过本发明提供的技术方案优化了主节点链路层，实现了提高主节点链路层效率的目的。

附图说明

图1是主节点与从节点之间的命令流程示意图；

图2是主节点与从节点之间的轮询流程示意图一；

图3是主节点与从节点之间的轮询流程示意图二；

图4是主节点的链路层结构示意图；

图5是现有技术的主节点从接收缓冲区中读数据的同步读算法流程图；

图6是与主节点链接的各从节点示意图；

图7是本发明的主节点链路层接收缓冲区的示意图；

图8是本发明的基于主从通信方式的主节点链路层优化方法流程图。

具体实施方式

本发明的核心是：在同步读过程中确定主节点链路层的接收缓冲区中存储的数据的长度小于预定长度时，等待同步读信号量，在异步写过程中确定所述接收缓冲区中存储的数据的长度不小于预定长度时，释放同步读信号量，所述同步读过程获取同步读信号量后调用异步读过程，从所述接收缓冲区中读取数据。

下面基于本发明的核心思想对本发明提供的技术方案做进一步的描述。

本发明中主节点链路层的接收缓冲区可以为环形链表数据结构、且可以采用数组来实现。本发明的环形链表数据结构的接收缓冲区如附图7所示。

在图7中，如果数组的最大长度为MBUS_BUF_MAX_SIZE，则接收缓冲区的最大存储空间为MBUS_BUF_MAX_SIZE-1。接收缓冲区中的读指针ReadPointer指向接收缓冲区中的当前可读地址，写指针Write Pointer指向接收缓冲区中的当前可写地址，读指针Read Pointer与写指针Write Pointer的取值范围均在0至MBUS_BUF_MAX_SIZE-1之间。

接收缓冲区中已存储数据的数据长度为有效数据长度Buflen，如图7中读指针Read Pointer与写指针Write Pointer之间的灰色部分。有效数据长度Buflen可通过如下公式计算获得：

当读指针ReadPointer等于WritePointer时，接收缓冲区为空。

由于需要区分接收缓冲区为空和为满的情况，所以，本发明的接收缓冲区最多能够存储的有效数据为MBUS_BUF_MAX_SIZE-1个。

本发明通过提供异步写过程、异步读过程以及同步读过程来管理主节点链路层的接收缓冲区。各过程的具体实现算法如下：

异步读过程的异步读算法：

设置异步读过程API(应用程序接口)的输入参数为：接收地址和接收长度。异步读过程的输出参数为实际读长度，实际读长度为接收缓冲区的有效数据长度与异步读过程API的输入参数中的接收长度的最小值。

异步读过程从接收缓冲区的读指针ReadPointer开始，从接收缓冲区中拷贝数据到接收地址中。异步读过程从接收缓冲区中拷贝的数据长度为接收缓冲区中有效数据长度与异步读过程API的输入参数中的接收长度的较小值。异步读过程在拷贝完成后，根据读取的数据长度调整读指针ReadPointer的值，最后，异步读过程返回实际读取数据的长度。

同步读过程的同步读算法：

设置同步读过程API的输入参数为：接收地址、接收长度及等待超时时间。同步读过程API输入参数中的接收地址和接收长度与异步读过程API输入参数中的接收地址和接收长度含义相同。

与异步读过程相比，在同步读过程中，如果接收缓冲区中有效数据长度小于同步读过程中的接收长度，则需要等待接收缓冲区中有效数据的长度超过接收长度，然后再调用异步读过程读取接收缓冲区中的有效数据。其具体流程为：

在步骤1、根据同步读任务号，判断是否有任务正在进行同步读操作，如果有任务正在进行同步读操作，返回同步读失败信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束，如果没有任务正在进行同步读操作，则到步骤2。

在步骤2、判断接收缓冲区中的有效数据长度是否大于等于同步读过程中的接收长度，如果大于等于同步读过程的接收长度，则直接到步骤4；如果不大于等于同步读过程中的接收长度，则到步骤3。

在步骤3、设置同步读的任务号，以及同步读任务的接收长度。等待同步读信号量，等待同步读信号量的超时时间为同步读过程的等待超时时间参数。如果在等待超时时间内一直没有接收到同步读信号量，则清空接收缓冲区，并设置同步读任务号无效，返回同步读失败信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束；如果在等待超时时间内接收到同步读信号量，则到步骤4。

在步骤4、设置同步读任务号无效，并调用异步读过程读取接收缓冲区中的有效数据到异步读过程的接收地址中，判断异步读过程返回的实际读取长度与同步读过程中的接收长度是否相等，如果相等，返回同步读成功信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束，如果不相等，则返回同步读失败的信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束。

异步写过程的异步写算法：

设置异步写过程API的输入参数为：写地址和写长度。其具体流程为：

在步骤1、判断接收缓冲区中有效数据长度加上异步写过程的写长度是否超过接收缓冲区的最大存储空间MBUS_BUF_MAX_SIZE-1，如果超过接收缓冲区的最大存储空间，则表明接收缓冲区满，无法再写入，返回异步写失败信息，本发明的接收缓冲区的读写方法结束；如果不超过接收缓冲区的最大存储空间，到步骤2。

在步骤2、根据异步写过程的写地址拷贝写长度的数据，将拷贝的数据根据接收缓冲区的写指针WritePointer存储在接收缓冲区中，并根据异步写过程的写长度调整接收缓冲区的写指针WritePointer，到步骤3。

在步骤3、计算接收缓冲区中的有效数据长度，并判断有效数据长度是否不小于同步读过程中的接收长度、且同步读任务是否存在，如果同步读任务存在、且接收缓冲区中的有效数据长度不小于同步读过程中的接收长度，则释放同步读信号量，到步骤4；否则，直接到步骤4。

到步骤4、返回异步写成功的信息。

主节点通过物理层如串口等，接收从节点传输来的数据是在中断回调函数中完成的，因此，本发明的异步写过程满足多任务实时操作系统不可以阻塞任务的要求。通过本发明提出的异步读过程、同步读过程、和异步写过程的组合流程，使主节点链路层完成了从接收从节点传输来的字符流到链路层数据帧的组合，保证了命令流程、轮询流程的完整性，使主节点链路层的处理任务在进行同步读接收缓冲区操作时，只需要根据同步读成功信息或同步读失败信息来进行相应的处理，从而简化了主节点链路层的设计、优化了主节点链路层。

下面结合附图8对本发明的接收缓冲区的读取方法进行详细描述。

在图8中，步骤800、开始本发明的接收缓冲区的读取方法，设置同步读任务号。

到步骤810，根据同步读任务号判断是否有任务正在进行同步读操作，如果有任务正在进行同步读操作，到步骤811，返回同步读失败信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束。

在步骤811，如果没有任务正在进行同步读操作，到步骤820。

到步骤820，判断接收缓冲区中的有效数据长度是否大于等于同步读过程中的接收长度，如果大于等于同步读过程的接收长度，则到步骤830。

步骤830，设置同步读任务号无效，并调用异步读过程读取接收缓冲区中的数据到异步读过程的接收地址中。

到步骤840，获取异步读过程返回的实际读取长度，并判断异步读过程返回的实际读取长度与同步读过程中的接收长度是否相等，如果相等，到步骤850，返回同步读成功信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束。

在步骤840，如果异步读过程返回的实际读取长度与同步读过程中的接收长度不相等，则到步骤811，返回同步读失败的信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束。

在步骤820，如果接收缓冲区中的有效数据长度不大于等于同步读过程中的接收长度，即小于同步读过程中的接收长度，到步骤860。

在步骤860，设置同步读的任务号，以及同步读任务的接收长度，并开始等待同步读信号量，且等待同步读信号量的超时时间为同步读过程的等待超时时间参数。本发明中的同步读信号量是由异步写过程释放的。

到步骤870，判断等待同步读信号量的超时时间是否超时，如果没有超时，则到步骤880，判断是否接收到同步读信号量。

如果在等待同步读信号量的超时时间内，一直没有接收到同步读信号量，则到步骤890，清空接收缓冲区，并设置同步读任务号无效，返回同步读失败信息，本发明的接收缓冲区的读取方法结束。

在步骤870、880，如果在等待同步读信号量的超时时间内接收到异步写过程释放的同步读信号量，到步骤830，设置同步读任务号无效，并调用异步读过程读取接收缓冲区中的数据到异步读过程API输入参数中的接收地址中。

本发明还提供一种从节点的轮询算法，主要适用于一个串口通道下，有多个从节点的情况。

本发明将各个从节点的轮询频率与从节点的链路状态关联起来，通过区别链路正常的从节点采用的轮询频率与链路异常的从节点采用的轮询，优先轮询链路正常的从节点，减少链路异常如链路断开的从节点轮询次数，避免了轮询从节点周期较长、系统性能差，频繁轮询链路异常的从节点影响其他正常从节点与主节点的通信等缺点。

本发明采用不同轮询频率对各从节点进行轮询的算法可以有很多种，最重要的是需要保证对链路正常的从节点的轮询频率高于链路异常的从节点的轮询频率，具体应用如在轮询完所有链路正常的从节点后，只轮询一个链路异常的从节点等。

结合附图6对本发明的从节点的轮询算法进行说明。在图6中，主节点的串口下连接有6个从节点，白色节点为链路正常的从节点，带颜色的节点为链路异常的从节点，本发明可采用从节点轮询顺序为1、3、5、6、2、1、3、5、6、4、...的轮询算法轮询从节点。

本发明在适用于一个串口通道下只有一个从节点的情况时，则始终返回该从节点索引，即始终轮询该从节点。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，本发明的申请文件的权利要求包括这些变形和变化。

Claims (10)

1.一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，包括：

a、在同步读过程中确定主节点链路层的接收缓冲区中存储的数据的长度小于预定长度时，等待同步读信号量，否则，从所述接收缓冲区中读取数据；

b、在异步写过程中确定所述接收缓冲区中存储的数据的长度不小于预定长度时，释放同步读信号量；

c、所述同步读过程获取同步读信号量后调用异步读过程，从所述接收缓冲区中读取数据。

2.如权利要求1所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述接收缓冲区为：环形链表数据结构的接收缓冲区。

3.如权利要求2所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述接收缓冲区由数组实现；

且所述接收缓冲区的读指针指向接收缓冲区当前可读地址、所述接收缓冲区的写指针指向接收缓冲区当前可写地址；

所述接收缓冲区的最大存储空间为：数组的最大长度-1。

4.如权利要求1、2或3所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：

根据同步读过程中的同步读任务号判断是否有任务正在进行同步读过程；

如果有，返回同步读失败信息，本方法结束；

否则，判断接收缓冲区中存储的数据的长度是否小于预定长度；

如果小于所述预定长度，设置同步读任务号有效，将所述同步读过程中的同步读任务阻塞，并等待同步读信号量；

如果不小于所述预定长度，设置同步读任务号无效，调用异步读过程从所述接收缓冲区中读取预定长度的数据，返回同步读成功信息，本方法结束。

5.如权利要求4所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述步骤a还包括：

判断在预定时间间隔内是否接收到同步读信号量；

如果在预定时间间隔内接收到同步读信号量，设置同步读任务号无效，调用异步读过程从所述接收缓冲区中读取数据，返回同步读成功信息，本方法结束；

如果在预定时间间隔内一直未接收到同步读信号量，设置所述同步读任务号无效，清空接收缓冲区，并返回同步读失败信息，本方法结束。

6.如权利要求1、2或3所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述步骤b进一步包括：

在异步写过程中，判断所述接收缓冲区中存储的数据长度与需要写入接收缓冲区中的数据长度之和是否超过接收缓冲区的最大存储空间；

如果超过，返回异步写失败信息，本方法结束；

如果未超过，将所述需要写入接收缓冲区中的数据写入所述接收缓冲区，并在存在同步读任务、且所述接收缓冲区中存储数据的数据长度不小于预定长度时，释放同步读信号量。

7.如权利要求6所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述步骤b中将所述需要写入接收缓冲区中的数据写入所述接收缓冲区的步骤具体包括：

根据异步写过程的写地址、写长度将相应的数据写入所述接收缓冲区中；

根据所述写长度调整所述接收缓冲区的写指针。

8.如权利要求1、2或3所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括：

所述同步读过程根据同步读信号量调用异步读过程；

根据异步读过程的接收地址、接收长度、所述接收缓冲区的读指针从所述接收缓冲区中读取相应的数据到所述接收地址；

根据所述读取的数据的长度调整所述接收缓冲区中的读指针。

9.如权利要求1、2或3所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述方法还包括：

d、分别确定链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率；

e、根据所述链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率轮询所述各从节点。

10.如权利要求9所述的一种基于主从通信方式的主节点链路层优化方法，其特征在于，所述链路正常的从节点的轮询频率高于所述链路异常的从节点的轮询频率；

且所述链路正常的从节点的轮询频率、链路异常的从节点的轮询频率具体包括：

在将链路正常的从节点轮询一遍后，轮询一个链路异常的从节点。

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