CN114760336B - 基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统 - Google Patents

基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，具体涉及通讯数据交互技术领域，包括数据处理中心，所述数据处理中心的连接端设有客户操作单元、关联单元、数据处理子系统、数据输出单元和数据库，所述数据库包括优先度存储单元，所述客户操作单元的连接端设有人机交互界面。本发明通过设计一个IOCP对象，在操作系统中可关联着多个socket项目，并且通过一个先进先出队列，用于存放IOCP所关联的服务请求完成消息。基于IOCP的交互对象，结合轮询、并发、自控和单例通信交互机制，实现高并发通信的复杂应用场景。基于IOCP对象统一设备程序接口，并且支持二次开发，实现数据交互定制化应用。

Description

基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统
技术领域
本发明涉及通讯数据交互技术领域，更具体地说，本发明涉及基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统。
背景技术
随着互联网合技术的不断革新，多种基于互联网的操作系统接连问世，不同的操作系统一般需要不同的模型对象框架，模型对象框架大致表示框架内部的基本结构，包括：IO操作、IO会话、设备驱动、控制器、运行监测器、运行容器、接口、配置和调试等，现有的运行和通讯机制有许多种。
轮询模式是框架最早的运行模式，串口和网络通讯时都可以使用这种控制模式。当有多个设备连接到通讯平台时，通讯平台会轮询调度设备进行通讯任务。某一时刻只能有一个设备发送请求命令、等待接收返回数据，这个设备完成发送、接收(如果遇到超时情况，则自动返回)后，下一个设备才进行通讯任务，依次轮询设备；
但是其在实际使用时，仍旧存在缺点，一是如果连入的客户多了，就需要同样多的线程；二是不同的socket的数据处理都要线程切换的代价，不能够满足高效数据交互的需求。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，通过设计一个IOCP对象，在操作系统中可关联着多个socket项目，并且通过一个先进先出队列，用于存放IOCP所关联的服务请求完成消息，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，包括数据处理中心，所述数据处理中心的连接端设有客户操作单元、关联单元、数据处理子系统、数据输出单元和数据库，所述数据库包括优先度存储单元，所述客户操作单元的连接端设有人机交互界面；
所述数据处理中心用于接收客户操作单元产生的数据信息，从而配合关联单元对人机交互界面的输入数据进行关联处理并向数据输出单元输入指令；
所述人机交互界面用于向数据处理中心输入指令以及增加、删除或更改数据库中存储的数据；
所述数据库用于存储数据处理子系统中的多线程数据；
所述数据处理子系统用于接受数据处理中心传导的数据。
在一个优选地实施方式中，所述数据处理子系统包括I/O处理单元，所述I/O处理单元用于接受关联单元传导的数据；
所述I/O处理单元内部设有IOCP对象和线程池，线程池内部包含多个线程用于数据处理。
在一个优选地实施方式中，所述关联单元包括socket项目、Listen项目、AccptEX项目，所述socket项目的连接端连接Listen项目，所述Listen项目连接端连接AccptEX项目，所述AccptEX项目连接端连接完成端口。
在一个优选地实施方式中，所述线程池中的工作线程的数量与CPU内核数量相同。
在一个优选地实施方式中，所述I/O处理单元内部包括一个IOCP对象，IOCP对象与关联单元中的多个socket项目和文件控制端连接。
在一个优选地实施方式中，所述IOCP对象内部设有先进先出队列，所述先进先出队列用于存放IOCP对象所关联的服务请求消息。
在一个优选地实施方式中，当先进先出队列中存在消息时，所述线程池中多个线程负责从先进先出队列中取走完成通知并执行数据处理操作。
在一个优选地实施方式中，当先进先出队列中不存在消息时，所述线程池中多个线程阻塞并挂起在先进先出队列。
在一个优选地实施方式中，所述一种存储介质，所述存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述任意一项所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统。
在一个优选地实施方式中，一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任意一项所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统。
本发明的技术效果和优点：
1、通过本发明设计的一个IOCP对象，在操作系统中可关联着多个socket项目，并且通过一个先进先出队列，用于存放IOCP所关联的服务请求完成消息，与现有技术对比，请求输入输出服务的进程不接收IO服务完成通知，而是检查IOCP的消息队列以确定IO请求的状态，线程池中的多个线程负责从IOCP消息队列中取走完成通知并执行数据处理；如果队列中没有消息，那么线程阻塞挂起在该队列，进而实现负载均衡；并且IOCP是唯一个不需要安全属性的Windows内核对象，因为IO完成端口在设计时就是只在一个进程中使用，设置线程池中的工作线程的数量与CPU内核数量相同，以此来最小化线程切换代价
2、在轮询数据交互的基础上增加了并发、自控和单例交互模式，多种通信交互模式下适用于复杂的物联网应用场景。
3、网络通讯的情况下，轮询模式显然效率比较低，那么可以采用并发通讯模式。并发通讯模式是集中发送给所有设备请求指令，框架是采用循环同步方式发送请求命令给每个IO通道对应的设备，当然也可以采用并行异步方式集中发送请求命令。硬件设备接收到指令后进行校验，校验成功后返回对应指令的数据，通讯平台异步监听到数据信息后，进行接收操作，然后再进行数据的分发、处理等；
4、在网络通讯时可以使用自控通讯模式，自控通讯模式与并发通讯模式类似，区别在于发送指令操作交给设备驱动本身进行控制，或者说交给二次开发者，二次开发者可以通过时钟定时用事件驱动的方式发送指令数据。硬件设备接收到指令后进行校验，校验成功后返回对应指令的数据，通讯平台异步监听到数据信息后，进行接收操作，然后再进行数据的分发、处理等；
5、在网络通讯时可以使用单例通讯模式，在一个服务实例内只能有一个设备驱动，相当于一个设备驱动对应着N多个硬件设备终端。更适合通讯的数据协议有固定的标准，以命令关键字处理不同的数据。适用于高并发的硬件终端设备主动上传数据，服务器端根据数据信息进行处理和返回相应的数据。
6、在上述网络通道、通信机制的基础上，把物理设备抽象成虚拟设备，并把虚拟设备标准化成统一的程序接口，通过程序接口整体协调网络通道资源、通信机制模式等，在设备统一程序接口的基础上实现高并发的复杂应用场景。
附图说明
图1为适用于本发明提出的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统的框架示意图。
图2为适用于本发明对比实施例一提出的轮询模式的通讯结构示意图。
图3为适用于本发明对比实施例二提出的并发通讯模式的通讯结构示意图。
图4为适用于本发明对比实施例三提出的自控通讯模式的通讯结构示意图。
图5为适用于本发明对比实施例四提出的单例通讯模式的通讯结构示意图。
图6为适用于本发明提出的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统的运行原理示意图。
图7为适用于本发明提出的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统的整体结构示意图。
图8物联网设备驱动统一接口定义示意图。
附图标记为：1、数据处理中心；11、客户操作单元；12、关联单元；13、数据输出单元；121、socket项目；122、Listen项目；123、AccptEX项目；2、数据处理子系统；21、I/O处理单元；211、IOCP对象；212、线程池；3、数据库；31、优先度存储单元；4、人机交互界面；5、电子设备；51、处理器(processor)；52、通信接口(Communications Interface)；53、存储器(memory array)；54、总线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照说明书附图1、6、7，基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，包括数据处理中心1，数据处理中心1的连接端设有客户操作单元11、关联单元12、数据处理子系统2、数据输出单元13和数据库3，数据库3包括优先度存储单元31，客户操作单元11的连接端设有人机交互界面4。
数据处理中心1用于接收客户操作单元11产生的数据信息，从而配合关联单元12对人机交互界面4的输入数据进行关联处理并向数据输出单元13输入指令；
关联单元12包括socket项目121、Listen项目122、AccptEX项目123，socket项目121的连接端连接Listen项目122，Listen项目122连接端连接AccptEX项目123，AccptEX项目123连接端连接完成端口。
数据处理子系统2包括I/O处理单元21，I/O处理单元21用于接受关联单元12传导的数据；
I/O处理单元21内部设有IOCP对象211和线程池212，线程池212内部包含多个线程用于数据处理，线程池212中的工作线程的数量与CPU内核数量相同；IOCP对象211与关联单元12中的多个socket项目121和文件控制端连接，IOCP对象211内部设有先进先出队列，先进先出队列用于存放IOCP对象211所关联的服务请求消息，当先进先出队列中存在消息时，线程池中多个线程负责从先进先出队列中取走完成通知并执行数据处理操作。
人机交互界面4用于向数据处理中心1输入指令以及增加、删除或更改数据库3中存储的数据。
数据库3用于存储数据处理子系统2中的多线程数据。
实施例2
参照说明书附图1、6、7，基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，包括数据处理中心1，数据处理中心1的连接端设有客户操作单元11、关联单元12、数据处理子系统2、数据输出单元13和数据库3，数据库3包括优先度存储单元31，客户操作单元11的连接端设有人机交互界面4；
数据处理中心1用于接收客户操作单元11产生的数据信息，从而配合关联单元12对人机交互界面4的输入数据进行关联处理并向数据输出单元13输入指令；
关联单元12包括socket项目121、Listen项目122、AccptEX项目123，socket项目121的连接端连接Listen项目122，Listen项目122连接端连接AccptEX项目123，AccptEX项目123连接端连接完成端口；
数据处理子系统2包括I/O处理单元21，I/O处理单元21用于接受关联单元12传导的数据；
I/O处理单元21内部设有IOCP对象211和线程池212，线程池212内部包含多个线程用于数据处理，线程池212中的工作线程的数量与CPU内核数量相同；IOCP对象211与关联单元12中的多个socket项目121和文件控制端连接，IOCP对象211内部设有先进先出队列，先进先出队列用于存放IOCP对象211所关联的服务请求消息，当先进先出队列中不存在消息时，线程池中多个线程阻塞并挂起在先进先出队列；
人机交互界面4用于向数据处理中心1输入指令以及增加、删除或更改数据库3中存储的数据；
数据库3用于存储数据处理子系统2中的多线程数据；
数据处理子系统2用于接受数据处理中心1传导的数据。
实施例3
本实施例提供一种存储介质，存储介质存储有计算机可执行指令，其包含用于执行上述基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统的程序，该计算机可执行指令可执行实施例1-2中任一系统。
其中，存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NAND FLASH)、固态硬盘(SSD))等。
实施例4
说明书附图7示出了本发明的另一个实施例的一种电子设备的结构框图。电子设备5可以是具备计算能力的主机服务器、个人计算机PC、或者可携带的便携式计算机或终端等。本发明具体实施例并不对电子设备的具体实现做限定。
该电子设备5包括至少一个处理器(processor)51、通信接口(CommunicationsInterface)52、存储器(memory array)53和总线54。其中，处理器51、通信接口52、以及存储器53通过总线54完成相互间的通信。
通信接口52用于与网元通信，其中网元包括例如虚拟机管理中心、共享存储等。
处理器51用于执行程序。处理器51可能是一个中央处理器CPU，或者是专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
存储器53用于可执行的指令。存储器53可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器53也可以是存储器阵列。存储器53还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。存储器53存储的指令可被处理器51执行，以使处理器51能够执行上述任一实施例中的数据库。
实施例5
参照说明书附图8，设备驱动统一程序接口(interface)可以把所需要的成员组合起来，封装成具有一定功能的集合。可以把它理解为一个模板，其中定义了一类对象的公共部分的动作、特性、反应等，分别对应面向对象编程中的方法、属性、事件等概念。抽象类或实体类可以继承接口完成对方法、属性和事件的特定响应，对事物进行具体的规范和多态的表述。
对比实施例1
参照说明书附图2,本实施例中的框架运行模式为轮询模式，在IO可用的情况下，服务端先发起通讯命令请求，设备根据命令信息，检验通过后返回数据给服务端，每个设备的通讯都遵循排队的原则。当对某个设备要进行实时的检测，需要连续发送命令，可以对设备进行高级别设置，发送请求数据命令。
对比实施例2
参照说明书附图3,本实施例中的框架运行模式为并发通讯模式，并发通讯模式是集中发送给所有设备请求指令，框架是采用循环异步方式发送请求命令给每个IO通道对应的设备，硬件设备接收到指令后进行校验，校验成功后返回对应指令的数据，通讯平台异步监听到数据信息后，进行接收操作，然后再进行数据的分发、处理等，其中，数据分发给设备驱动可以是设备IP或是设备编码中的一种。
对比实施例3
参照说明书附图4,本实施例中的框架运行模式为自控通讯模式，本实施例与对比实施例二的区别在于发送指令操作交给设备驱动本身进行控制，设备驱动本身为二次开发者，二次开发者可以通过时钟定时用事件驱动的方式发送指令数据。硬件设备接收到指令后进行校验，校验成功后返回对应指令的数据，通讯平台异步监听到数据信息后，进行接收操作，然后再进行数据的分发、处理等。
自控通讯模式可以为二次开发者提供精确的定时请求实时数据机制，使通讯机制更灵活、自主，如果多个设备驱动使用同一个IO通道的话，时间控制会有偏差。
对比实施例4
参照说明书附图5,本实施例中的框架运行模式为单例通讯模式，适用于网络通讯状态。本实施例中，在一个服务实例内只能有一个设备驱动，相当于一个设备驱动对应着N多个硬件设备终端。更适合通讯的数据协议有固定的标准，以命令关键字处理不同的数据。适用于高并发的硬件终端设备主动上传数据，服务器端根据数据信息进行处理和返回相应的数据。
根据实施例1-4可以看出，IOCP是唯一个不需要安全属性的Windows内核对象，因为IO完成端口在设计时就是只在一个进程中使用，设置线程池中的工作线程的数量与CPU内核数量相同，以此来最小化线程切换代价；
一个IOCP对象，在操作系统中可关联着多个socket项目121，并且通过一个先进先出队列，用于存放IOCP所关联的服务请求完成消息，请求输入输出服务的进程不接收IO服务完成通知，而是检查IOCP的消息队列以确定IO请求的状态，(线程池中的)多个线程负责从IOCP消息队列中取走完成通知并执行数据处理；如果队列中没有消息，那么线程阻塞挂起在该队列，进而实现负载均衡。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，包括数据处理中心(1)，其特征在于：所述数据处理中心(1)的连接端设有客户操作单元(11)、关联单元(12)、数据处理子系统(2)、数据输出单元(13)和数据库(3)，所述数据库(3)包括优先度存储单元(31)，所述客户操作单元(11)的连接端设有人机交互界面(4)；
所述数据处理中心(1)用于接收客户操作单元(11)产生的数据信息，从而配合关联单元(12)对人机交互界面(4)的输入数据进行关联处理并向数据输出单元(13)输入指令；
所述人机交互界面(4)用于向数据处理中心(1)输入指令以及增加、删除或更改数据库(3)中存储的数据；
所述数据库(3)用于存储数据处理子系统(2)中的多线程数据；
所述数据处理子系统(2)用于接受数据处理中心(1)传导的数据；
所述数据处理子系统(2)包括I/O处理单元(21)，所述I/O处理单元(21)用于接受关联单元(12)传导的数据；
所述I/O处理单元(21)内部设有IOCP对象(211)和线程池(212)，线程池(212)内部包含多个线程用于数据处理；
所述关联单元(12)包括socket项目(121)、Listen项目(122)、AccptEX项目(123)，所述socket项目(121)的连接端连接Listen项目(122)，所述Listen项目(122)连接端连接AccptEX项目(123)，所述AccptEX项目(123)连接端连接完成端口；
所述I/O处理单元(21)内部包括一个IOCP对象(211)，IOCP对象(211)与关联单元(12)中的多个socket项目(121)和文件控制端连接；
所述IOCP对象(211)内部设有先进先出队列，所述先进先出队列用于存放IOCP对象(211)所关联的服务请求消息。
2.根据权利要求1所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，其特征在于：所述线程池(212)中的工作线程的数量与CPU内核数量相同。
3.根据权利要求2所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，其特征在于：当先进先出队列中存在消息时，所述线程池中多个线程负责从先进先出队列中取走完成通知并执行数据处理操作。
4.根据权利要求2所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统，其特征在于：当先进先出队列中不存在消息时，所述线程池中多个线程阻塞并挂起在先进先出队列。
5.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求1-4任意一项所述的基于统一接口的多通道复用和通信模式的物联网操作系统。
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