CN113489574A - 一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议 - Google Patents

Abstract

一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，用于解决在双机通信情况下，在仅有一条通信链路时双机中的多组应用需要相互传输数据的问题。协议的主要内容包括：服务注册单元；数据发送单元；数据接收单元；通信维护单元。采用本发明提供的在嵌入式系统中用于双机通信的传输协议，可以让用户应用无需关心底层传输的实现，忽略底层传输链路的差异。该协议使用校验、分片、重发的方式可以确保发送的数据能完整无误得传输到对端，并主动唤醒对端的用户应用处理数据，向发送数据的应用返回送达结果，解决双机设备中多组应用的数据相互传递的问题。

Description

一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信 协议

技术领域

本公开涉及嵌入式领域和实时操作系统领域，具体而言是指涉及一种在嵌入式系统中用于分布在双机上的多组应用之间的通信协议。

背景技术

在传统的嵌入式实时操作系统上，系统的工作有时不能全由一个主控完成，通常需要多组芯片配合使用，并且MCU两端的应用服务数据的交互业务不止一个。这需要用户使用多组通信接口来满足不同应用服务数据通信的功能，而通信的质量则完全由于硬件的不同，依赖硬件的配置不同，导致传输的质量难以得到保证；因为数据需要编码解码以兼容不同的硬件平台，两端的应用服务的业务就不得不变得更加复杂来满足需求。而同时选择多组通信接口并不是一个容易的选择，因为不是所有MCU都能拥有多种硬件通信链路，在一些资源有限的嵌入式平台上，选择多种通信链路的方法将使本就有限的资源变得捉襟见肘。

在这种业务的情况下，一种能支持多个应用服务同时进行传输数据，自动区分不同的应用服务数据，满足数据安全传输的需求，可以感知到对端业务数据已经使用了发送的数据，并且可以摒弃底层硬件差异的传输协议，就可以完美解决这个问题。在嵌入式平台上，通信端口是很宝贵的资源，其中包括SPI，UART，与USB接口，而且接口不同的数据处理起来也有差异，使用本协议可以减少对通信端口的使用，通过协议的数据分发与特殊的数据编码解析功能可以满足用户忽略因硬件通信方式不同的差异，能灵活得处理对端发送的数据，协议的不同应用服务的分发能力和感知对端应用服务已经使用了本地应用发送的数据可以同步两端MCU的交互逻辑，这样可以把精力与资源放在更重要的应用服务的逻辑处理方面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在嵌入式系统中用于双机上多组应用服务相互通信的传输协议，以解决现有嵌入式系统中双机上的多组应用业务通信需要的硬件资源过多，和数据在传输过程中编码解码过于复杂的问题。

本发明提供的实现一种嵌入式系统中用于双机多应用服务之间的通信传输协议，拥有编码与解码和一定的纠错能力，并主动唤醒对应的应用服务完成数据处理，其主要功能单元包括：

通信维护单元，其用于维护传输的准确性，提供数据校验能力，数据重传纠错能力，流量控制能力与ACK确认能力，同时协调数据的发送，数据的接收与数据的分发功能；

注册使用单元，其用于管理双机的多个应用服务之间的数据的发送，当对应服务数据到达时唤醒对应的应用服务；

数据发送单元，其用于应用服务的数据发送阶段，对发送数据做数据的编码，附加协议的部分，用来保证数据的传输安全；

数据接收单元，其用于应用服务的数据接收阶段，对接收的数据进行检验，纠错操作，用来协同数据发送单元保证数据的传输安全；

异常处理单元，其用于响应各种命令帧的指令，用于快速执行对应的指令信息，协同通信维护单元，执行具体的操作，响应操作，回传数据帧或者通信链路的信息。

进一步地，所述的数据发送单元负责对待发送数据的处理，按照一定的规则处理数据，完成数据的发送校验工作并填充协议的校验数据，为数据接收时的校验与维护提供基础实现条件。

进一步地，所述的数据接收单元负责从数据缓存区中读出符合协议格式的数据，匹配对应数据校验字段，将校验无误的数据按照协议规范整理，并根据协议中的不同服务标识主动唤醒调用已注册的对应应用服务来处理数据。

进一步地，所述的注册使用单元负责向两端的应用服务提供注册服务与使用服务的方法，具体方式表现为提供一套一致性的数据发送接口，一致性的数据接收回调接口，为不同业务的应用数据提供分发功能，主动唤醒对应应用程序处理数据。

进一步地，所述的通信维护单元负责整个通信过程的维护，协调数据的发送，感知对端应用服务已经使用了本地应用发送的数据，对接收数据的有效性筛选及校验，引导应用程序继续运行。同时需处理因数据错误需要触发的重传的情况，因链路异常导致的需要流量控制的情况，调用异常处理单元来完成具体的异常处理操作。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对本发明的限定，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取前提相关的附图。

图1为本发明提供的实现一种嵌入式系统中用于双机多应用服务之间的通信传输协议的框架图，主要内容是如何协调不同单元的工作逻辑，驱使系统完成对数据发送，数据接收的业务逻辑。在出现传输问题时，及时通告传输异常信息，并引导异常处理单元来修正错误数据。

图2为本发明具体实施方式的注册与使用单元是如何引导不同业务的应用发送数据，以及已经注册的应用服务如何获取对端发送的数据，并进行数据处理的示意图。

图3为本发明具体实施方式的数据发送单元是如何处理用户数据并对数据进行处理，计算校验单位，并等待对端数据已接收处理的ACK，最终完成发送过程的示意图。

图4为本发明具体实施方式的数据接收单元是如何处理从底层接收的数据，区分不同的业务，及时发现数据传输中的异常，在数据接收完成时唤醒已经注册的应用服务，引导应用程序处理数据的示意图。

图5为本发明具体实施方式的异常处理单元，通过响应不同的命令帧，实现对流量控制的功能，错误数据恢复的功能，以及缓解业务拥塞功能的示意图。

图6为本发明具体实施方式的总体框架示意，服务注册单元负责注册不同的应用服务；数据发送单元，数据接收单元负责相互传输数据；通信维护单元包含异常处理单元，则负责双机之间连接的保持与异常的处理，以便双机间的多组应用服务相互准确得传输数据。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。提供的实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所有获得的前提实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种嵌入式系统中用于双机多应用服务之间的通信传输协议说明，如图1所示，该方法由是由双机通信框架101、数据分发模块102、数据发送模块103、数据接收模块104、通信维护模块105共同组成，通信维护模块则包括异常处理、流量控制、重传控制、传输确认这四个小功能组成。

双机通信框架101，其作用是维护协议在传输过程的逻辑，包括协调程序处理数据发送任务，数据接收任务，分发任务以及异常出现时唤醒对应的异常处理的处理任务。

数据分发模块102，其用于向用户提供注册服务，在数据到达时通过回调传递数据内容，向应用服务提供与本地函数调用相似的使用体验，不同的应用程序可以由分发功能的支持下，同时使用本协议传输数据。

数据发送模块103，其用于管理数据发送的逻辑，包括待发送数据的数据处理，数据按照协议进行组包，发送，等待数据已被使用的ACK，最终完成数据发送。

数据接收模块104，其用于管理数据接收的逻辑，包括原始数据的接收与整理，协议的拆解，对接收数据的验证；对长包数据的拼接，已经整理好的数据的处理。

异常处理模块105，其用于响应具体命令帧的控制，执行控制单元的事实功能，对重传帧的处理需要先索引链表的数据，完成对应数据帧的处理；在握手帧时，准确传达链路状况及信息。

图2为本发明具体实施方式的注册使用模块是如何向用户提供注册服务，并且在数据到达时通过回调传递数据内容，向应用服务提供与本地函数调用相似的使用体验的示意图。所述流程从步骤S201开始。

在步骤S201中，展示的是应用程序在使用之前，必须选定一个自己的 Service通道，在后续的数据协议填充和数据协议解析过程中中，该Service将区分不同的通道，主动唤醒对应的应用服务，并将对端传输的数据按照原先的格式交给注册的服务来处理；

在步骤S202中，展示的是应用服务需要设计一个符合规范的函数，在函数中处理数据，等待函数被唤醒并执行，完成数据的接收；

在步骤S203中，展示的是应用服务将编写的符合规范的函数注册到协议框架中去，该注册函数将区分不同Service业务的回调函数，在对应的数据到达时，通过不同的Service业务来唤醒不同的回调函数；

在步骤S204中，展示的是在数据到达时对应的应用服务将会被唤醒的函数。该函数将会提供数据，以及数据长度供应用程序使用。提供的数据的格式将与对端提供的参数格式基本类似，供应用服务进行逻辑处理。

在步骤S205中，展示得是Service业务注册失败，在该Service业务的数据到达时将不会进行数据处理，也没有需要唤醒的函数，数据接收后将被忽略，不会进行逻辑处理工作。

图2为本发明具体实施方式的数据发送模块是如何处理用户数据并对数据进行处理，等待对端应用程序返回已使用数据ACK的回馈，最终完成发送过程的示意图。所述流程从步骤S301开始。

在步骤S301中，应用服务调用数据发送接口，传入Service通道参数，该参数用于界定不同的业务；同时传输待发送的数据及数据长度。

在步骤S302中，系统会传入的参数长度来判断是否需要将数据拆分，拆分的目的是为了在发生错误时，避免因利用重传方式修正错误时占用多余带宽。

在步骤S303中，系统会将数据按照短帧方式处理。首先申请协议控制块，向控制块将会填充信息。信息内容将作为协议帧的一部分，协同帧头部分发送到对端，方便对端进行解析。

在步骤S304中，系统将将数据按照长帧方式处理。把待发送的较长数据数据块按照需要分片。该分片动作是为了在错误发生时尽量少得重发原始信息，以降低带宽占用率，提升传输效率。

在步骤S305中，系统会申请协议控制块，该控制块将会填充分片后的帧信息，该帧的全部信息将由对端进行解析。

在步骤S306中，系统通过协议块的内容计算该帧的校验值，并填充到到帧末尾，通过硬件通信端口发送到对端；对端在接收数据时也将重新计算校验值并与帧末尾的值进行匹配，以验证数据的安全性。

在步骤S307中，系统将已经整理好的协议控制块，控制块中包含待发送的信息以及该帧的全部信息，将控制块挂载到发送链表上。

在步骤S308中，系统将等待对端已完成数据处理的ACK，一旦收到ACK 证明数据已经顺利被对端使用，整个传输过程完成。

在步骤S309中，系统将完成数据发送过程，将释放公共资源，清理缓存数据，等待下次发送。

在步骤S310中，系统将向应用服务返回错误原因，应用服务将按照错误信息进行数据处理；防止因数据传输异常而引起应用服务的逻辑处理错误。

图4为本发明具体实施方式的数据接收单元是如何处理从底层接收的数据，及时发现数据传输中的异常，并向已经注册的应用服务通知其处理数据，并发送处理ACK过程的示意图。所述流程从步骤S401开始。

在步骤S401中，展示的是数据接收单元从底层硬件中接收到数据到自己的环形缓存区中，并通知系统处理数据。

在步骤S402中，展示的是系统检索未处理数据，寻找特定格式的帧头数据；匹配成功则开始数据接收，匹配失败则继续寻找帧头数据。

在步骤S403中，展示的是系统清空缓存的解析状态，重新开始匹配帧头数据，以找到完整的数据帧信息。

在步骤S404中，展示得是系统通过了帧头信息的查询，缓存当前接收状态，并持续接收数据直到数据帧接收完成。

在步骤S405中，展示得是系统将完整帧解析出来后，通过帧的结构进行解析，由协议控制块的内容解析出帧的功能和校验值，在计算和存储后将进行后续的逻辑操作。

在步骤S406中，展示的是系统通过接收到的完整的数据帧进行数据校验，首先通过相同的校验算法来计算出一个值，与从数据帧的协议控制块中解析的校验值比对，比对通过则判断接收数据是正常的，否则，将进行数据接收的异常处理内容。

在步骤S407中，展示的是系统通过已经经过校验后确保安全的数据来进一步解析出帧的类型，不同类型的帧数据将进行不同的处理；如果是长帧数据需要将分多次接收到的数据进行拼接，为了提升效率拼接将每个长帧的数据只拼接一次，避免重复拷贝引发的效率降低；在数据接收完成后，唤醒注册的Service通道上的函数，引导应用服务处理数据。

在步骤S408中，展示的是校验失败后对已接收数据的处理，清空当前接收状态，重新寻找帧数据；

在步骤S409中，展示的是在应用服务完成说处理后，返回一个数据已处理的ACK状态，通知对端数据到达后已经处理，方便两端的应用服务的交互的正常进行。

图5为本发明具体实施方式的异常处理单元是如何响应不同的控制帧的命令，驱使系统感知对数据发送，数据接收的业务逻辑的执行状态。在需要控制帧执行操作时，及时响应控制帧的命令的结构示意图。

重发帧处理501，重发帧是控制帧的一种；在数据的接收过程中出现帧接收异常时，通过重发帧来指定发送端重发某一个数据帧。一方面可以缓解通信信号的占用情况，一方面又可以快速定位问题帧，可以更快得完成数据帧的接收。

查找指定的数据帧时依赖重发帧的信息，通过匹配重发帧的内容与待发送的内容，可以保证数据重发的安全性，避免数据遭受干扰或者替换劫持。在查找到指定的数据帧，迅速进行指定数据帧的发送，尽快完成数据的发送过程，使对端应用服务尽早处理数据。

确认帧处理502，确认帧也是控制帧的一种；在收到确认帧时，表明一帧数据已经由对端处理完成。该确认帧一般也称为已完成数据处理的ACK，该 ACK由数据接收端发送，由数据发送端响应。在发送端收到ACK时，会清空待发送区维护的链表，释放保护的公共资源，更新发送逻辑维护的资源，等待下一次数据传输。

握手帧处理503，握手帧处理是控制帧中功能较为多样的一种；第一种用法是：在数据发送异常时，及时进行流量控制，缓解拥塞情况；握手帧到达清空异常信息，引导进行下一次接收；第二种用法是：同步握手信息，在两端的协议程序进行数据传输前，必须要同步一些关键的信息，这些信息将作为后续数据传输的重要校验条件。

控制帧的处理是传输协议在数据传输中发现异常的重要处理途径，对控制帧的响应将引导传输协议迅速处理故障，纠正传输错误，提升通信链路的传输效率。在本双机多应用服务之间的通信传输协议中，数据的发送，接收，乃至于分发过程都离不开控制帧的参与。在控制帧的参与条件下，实现了让用户应用无需关心底层对传输的处理，确保了待发送的数据都能完整无误得传输到对端应用服务，并主动唤醒对端的用户应用处理数据，向发送数据的应用返回送达结果，解决双机设备中多组应用的数据相互传递的问题。

Claims (6)

1.一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：在仅有一条通信链路的情况下，也可以为两端的多组服务提供数据相互隔离的，传输安全的，在函数使用习惯上与本地函数调用类似的双机通信能力。

2.根据权利要求1所述的一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：所述双机通信能力在数据的收发环节，模拟本地函数调用的收发的场景；发送端发送的数据及数据长度，接收端在解析时也是直接使用该数据与长度参数。

3.根据权利要求1所述的一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：多组服务通过同一个发送接口发送数据，但在对端在接收过程中会通过协议报文判断数据服务，仅唤醒对应服务的数据接收函数进行数据处理工作。

4.根据权利要求1所述的一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：对待发送的数据按照一定规则进行分片，并按照协议要求添加校验信息；在数据的发送与接收阶段，辅助以控制帧以确保数据的正确性与安全性。

5.根据权利要求4所述的一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：确保数据传输的正常进行，所述控制帧主要包括确认帧，重传帧，握手帧；在多种控制帧的配合下，可以实现本协议实现的数据校验特性，传输确认特性，错误重传特性，以及流量控制特性，搭配数据帧可以完成对数据的组装与分发。

6.根据权利要求5所述的一种在嵌入式系统中用于双机的多组应用服务之间的通信协议，其特征在于：所述数据帧包含了经切片的数据域和属性域；通过数据域与属性域，可以对数据帧的数据安全进行校验，在数据异常时引导重传帧的发送，补发数据异常部分；在数据接收完成时，对多条数据帧进行组装；根据数据帧的属性可以唤醒对应的服务处理数据，实现数据的分发业务。

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