CN113468081A - 基于ebi总线的串口转udp的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于ebi总线的串口转udp的装置及方法，其采用epoll模型，监听所有文件描述符以及socket描述符。Epoll是基于事件驱动的模型，因此在进程中，不需要阻塞进程来接受和发送数据，因此可以同时监听多个udp端口。采用基于ebi的总线来驱动串口数据，从而不需要模拟出ttyUSB端口，当需要对具体的串口进行数据收发时，只需配置寄存器，即可对应适配到具体的串口。采用Ebi总线驱动和串口之间的通信，不使用read和write操作，使用内存映射，当需要发送数据的对应的串口的时，只需通过对映射之后的内存进行赋值即可，当需要从串口读取数据时，也只需要读取映射之后的内存。避免频繁的read/write操作，导致系统性能急剧下降，导致数据丢包。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输和数据转换技术领域，尤其涉及一种基于ebi总线的串口转udp的装置及方法。
背景技术
现有技术中的USB转串口方案的硬件设计如说明书附图1所示，其硬件串口使用USB转串口芯片，软件设计如说明书附图2所示，并具有以下特点：
1.每个串口和udp的数据转发需要一个进程；
2.每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB；
3.每次数据交互需要一次read和write操作。
以上现有技术的缺点包括：
1.每个串口和udp的数据转发需要一个进程：
a.扩展性能不足，当需要20个以上的串口时，系统需要20以上的进程，会使得系统资源紧张
b.每个进程都会使用系统的一系列资源，因此，这种方式极大浪费系统资源
2.每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB：
ttyUSB口和串口的对应关系无法确定下来，当系统存在多个串口的情况下，ttyUSB会有混乱的情况，因为系统在枚举ttyUSB设备的时候，不能保证按照一定的顺序枚举到ttyUSB设备，因此会导致ttyUSB和串口无法一一对应，数据转发混乱。
3.每次数据交互需要一次read和write操作：
当系统需要读取串口数据时，会进行一次read操作，read操作本身会嵌入到系统内核执行，当系统嵌入到内核执行的时候，会保存堆栈信息，导致时间浪费，性能下降。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本发明提出一种基于ebi总线的串口转udp的装置及方法。针对上述现有技术存在的每个主要问题，本发明分别采用如下的解决方案：
1.每个串口和udp的数据转发需要一个进程：
采用epoll模型，监听所有文件描述符以及socket描述符。Epoll是基于事件驱动的模型，因此在进程中，不需要阻塞进程来接受和发送数据，因此可以同时监听多个udp端口。
2.每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB：
采用基于ebi的总线来驱动串口数据，从而不需要模拟出ttyUSB端口，当需要对具体的串口进行数据收发时，只需配置寄存器，即可对应适配到具体的串口。
3.每次数据交互需要一次read和write操作：
Ebi总线驱动和串口之间的通信，不使用read和write操作，使用内存映射，当需要发送数据的对应的串口的时，只需通过对映射之后的内存进行赋值即可，当需要从串口读取数据时，也只需要读取映射之后的内存。内存映射技术解决了linux应用层和驱动层数据交互的性能问题，避免频繁的read/write操作，导致系统性能急剧下降，导致数据丢包。
本发明具体包括以下内容：
一种基于ebi总线的串口转udp的装置，其特征在于：采用epoll模型，监听所有文件描述符以及socket描述符；采用基于ebi的总线驱动串口数据；Ebi总线驱动和串口之间的通信使用内存映射。
进一步地，使用3片EBI转RS232，通过芯片的片选信号，选择使用哪个芯片；每个EBI转RS232芯片支持8个通道的串口，数据发送和接收通过寄存器设置和查询。
进一步地，当串口有数据要发送到CPU时，产生一个GPIO中断，CPU接收到中断之后，通过查询寄存器，得知是哪个串口的数据，然后通过内存映射读取数据；每个EBI转串口芯片都会发出所述GPIO中断信息。
以及基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于，其初始化过程包括以下步骤：
步骤S1：创建24个udp服务端socket，使用epoll监听客户端连接信息，当接收到连接请求信息之后，创建第二点的socket；第一点的socket用于监听连接信息，不接受数据；第二点的socket为专门用于接收数据的socket，并且使用epoll模型；
步骤S2：客户端连接成功之后，再次创建一个socket，该socket用于监听数据流；
步骤S3：初始化ebi的驱动，创建ebi内存映射空间；并初始化ebi转RS232芯片，配置串口属性信息，并配置该芯片的fifo，当fifo超过某个字节数的时候，触发GPIO中断，通知cpu取串口的数据。
进一步地，在步骤S2中，可以创建多个这种socket，并且能实现单线程、单进程创建多个socket。
进一步地，在步骤S3中，所述串口属性信息包括：串口的波特率。
进一步地，其接收串口数据的过程为：当fifo满足条件，触发中断之后，cpu通过内存映射控制直接读取某个内存区域的值，直到数据为空；并在接收串口事件时，产生中断通告；
进一步地，其发送数据到串口的过程为：当有数据需要发送到串口时，一次最多发送128个字节，然后等待芯片转发到对应的串口，之后通过中断告知CPU，当ebi转RS232的发送缓冲区为空，则可以继续发送数据，一直循环以上过程，直到数据发送完毕。
相比于现有技术，本发明及其优选方案通过内存映射实现数据的高速转发，提高了系统性能、降低了硬件成本；通过epoll通信，实现单进程、单线程监听所有数据转发端口，实现单进程、单线程监听所有端口，提高了系统的扩展性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为现有技术中的USB转串口方案的硬件设计示意图；
图2为现有技术中的USB转串口方案的软件设计示例图；
图3为本发明实施例基于ebi总线的串口转udp的装置硬件结构示意图；
图4为本发明实施例基于ebi总线的串口转udp的装置软件流程示例图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
现有技术中的USB转串口方案的硬件设计如图1所示，其硬件串口使用USB转串口芯片，软件设计如图2所示，并具有以下特点：
1.每个串口和udp的数据转发需要一个进程；
2.每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB；
3.每次数据交互需要一次read和write操作。
以上现有技术的缺点包括：
1、每个串口和udp的数据转发需要一个进程：
a、扩展性能不足，当需要20个以上的串口时，系统需要20以上的进程，会使得系统资源紧张
b、每个进程都会使用系统的一系列资源，因此，这种方式极大浪费系统资源
2、每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB：
ttyUSB口和串口的对应关系无法确定下来，当系统存在多个串口的情况下，ttyUSB会有混乱的情况，因为系统在枚举ttyUSB设备的时候，不能保证按照一定的顺序枚举到ttyUSB设备，因此会导致ttyUSB和串口无法一一对应，数据转发混乱。
3、每次数据交互需要一次read和write操作：
当系统需要读取串口数据时，会进行一次read操作，read操作本身会嵌入到系统内核执行，当系统嵌入到内核执行的时候，会保存堆栈信息，导致时间浪费，性能下降。
为了解决以上缺陷和不足的问题，本实施例提出一种基于ebi总线的串口转udp的装置及方法。针对上述现有技术存在的每个主要问题，本实施例分别采用如下的解决方案：
1、每个串口和udp的数据转发需要一个进程：
采用epoll模型，监听所有文件描述符以及socket描述符。Epoll是基于事件驱动的模型，因此在进程中，不需要阻塞进程来接受和发送数据，因此可以同时监听多个udp端口。
2、每个串口在设备文件上对应 一个 ttyUSB：
采用基于ebi的总线来驱动串口数据，从而不需要模拟出ttyUSB端口，当需要对具体的串口进行数据收发时，只需配置寄存器，即可对应适配到具体的串口。
3、每次数据交互需要一次read和write操作：
Ebi总线驱动和串口之间的通信，不使用read和write操作，使用内存映射，当需要发送数据的对应的串口的时，只需通过对映射之后的内存进行赋值即可，当需要从串口读取数据时，也只需要读取映射之后的内存。内存映射技术解决了linux应用层和驱动层数据交互的性能问题，避免频繁的read/write操作，导致系统性能急剧下降，导致数据丢包。
具体地，如图3所示，本实施例硬件设计如下：
1、总共使用3片EBI转RS232，通过芯片的片选信号，选择使用哪个芯片
2、每个EBI转RS232芯片支持8个通道的串口，数据发送和接收通过寄存器设置和查询
3、当串口有数据要发送到CPU时，会有一个GPIO中断，CPU接收到中断之后，通过查询寄存器，得知是哪个串口的数据，然后通过内存映射去读取数据。每个EBI转串口芯片都会发出一个GPIO中断通告。
其软件设计方案为如图4所示的流程框架：
1.创建24个udp服务端socket，使用epoll监听客户端连接信息，当接收到连接请求信息之后，创建第二点的socket。
2.客户端连接成功之后，再次创建一个socket，该socket用来监听数据流，第一点的socket只是用来监听连接信息，并不会接受数据，第二点的socket是专门用来接收数据的socket，并且使用epoll模型，不会导致进程阻塞。可以创建多个这种socket，并且能实现单线程、单进程创建多个socket。
3.初始化ebi的驱动，创建ebi内存映射空间。并初始化ebi转RS232芯片，配置串口的波特率等等串口属性信息，并配置该芯片的fifo，当fifo超过某个字节数的时候，触发GPIO中断，通知cpu去取串口的数据。
4.接收串口数据：当fifo满足条件，触发中断之后，cpu通过内存映射控制直接读取某个内存区域的值，直到数据为空。接收串口为异步事件，因此需要一个中断通告。
5.发送数据到串口：当有数据需要发送到串口时，考虑到ebi总线的速率远远超过串口的波特率，因此一次最多只能发送128个字节，然后等待芯片转发到对应的串口，之后通过中断告知CPU，ebi转RS232的发送缓冲区为空，可以继续发送数据，一直循环这个过程，直到数据发送完毕。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于ebi总线的串口转udp的装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于ebi总线的串口转udp的装置，其特征在于：采用epoll模型，监听所有文件描述符以及socket描述符；采用基于ebi的总线驱动串口数据；Ebi总线驱动和串口之间的通信使用内存映射。
2.根据权利要求1所述基于ebi总线的串口转udp的装置，其特征在于：使用3片EBI转RS232，通过芯片的片选信号，选择使用哪个芯片；每个EBI转RS232芯片支持8个通道的串口，数据发送和接收通过寄存器设置和查询。
3.根据权利要求2所述基于ebi总线的串口转udp的装置，其特征在于：当串口有数据要发送到CPU时，产生一个GPIO中断，CPU接收到中断之后，通过查询寄存器，得知是哪个串口的数据，然后通过内存映射读取数据；每个EBI转串口芯片都会发出所述GPIO中断信息。
4.根据权利要求3所述基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于，其初始化过程包括以下步骤：
步骤S1：创建24个udp服务端socket，使用epoll监听客户端连接信息，当接收到连接请求信息之后，创建第二点的socket；第一点的socket用于监听连接信息，不接受数据；第二点的socket为专门用于接收数据的socket，并且使用epoll模型；
步骤S2：客户端连接成功之后，再次创建一个socket，该socket用于监听数据流；
步骤S3：初始化ebi的驱动，创建ebi内存映射空间；并初始化ebi转RS232芯片，配置串口属性信息，并配置该芯片的fifo，当fifo超过某个字节数的时候，触发GPIO中断，通知cpu取串口的数据。
5.根据权利要求4所述基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于：在步骤S2中，可以创建多个这种socket，并且能实现单线程、单进程创建多个socket。
6.根据权利要求4所述基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于：在步骤S3中，所述串口属性信息包括：串口的波特率。
7.根据权利要求4所述基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于：其接收串口数据的过程为：当fifo满足条件，触发中断之后，cpu通过内存映射控制直接读取某个内存区域的值，直到数据为空；并在接收串口事件时，产生中断通告。
8.根据权利要求4所述基于ebi总线的串口转udp的装置的工作方法，其特征在于：其发送数据到串口的过程为：当有数据需要发送到串口时，一次最多发送128个字节，然后等待芯片转发到对应的串口，之后通过中断告知CPU，当ebi转RS232的发送缓冲区为空，则可以继续发送数据，一直循环以上过程，直到数据发送完毕。
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