何用輝

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，福建福州350003)

許多嵌入式環(huán)境下的分布式系統(tǒng)是基于進程間的顯式消息進行信息交換的，其發(fā)送和接收過程無法隱藏通信過程.這種方式的缺點是開發(fā)者需要了解網(wǎng)絡(luò)接口及使用方式，通信過程對開發(fā)者來說不透明，必須親自關(guān)心數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，極大影響了程序的開發(fā)效率.鑒于CAN總線在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了一種可運行于嵌入式CAN網(wǎng)絡(luò)的RPC協(xié)議及其實現(xiàn)方法，通過使用一致的協(xié)議和提供基礎(chǔ)性的底層服務(wù)，使得開發(fā)人員不必為如何實現(xiàn)通信而煩惱，從而可以把注意力集中到如何解決問題上，有效地改進現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)效率.

1 RPC原理及其在CAN總線上的實現(xiàn)

1.1 RPC實現(xiàn)原理

RPC可分為異步RPC和同步RPC，在調(diào)用方發(fā)出RPC請求后，調(diào)用進程會被掛起的為同步RPC，反之為異步RPC，這里所描述的RPC為同步RPC.RPC通過如下基本過程實現(xiàn)對開發(fā)者隱藏通信細(xì)節(jié)的目的.節(jié)點A調(diào)用節(jié)點B上的進程時，節(jié)點A上的調(diào)用進程將被掛起，而B上被調(diào)用的進程開始執(zhí)行.調(diào)用方使用參數(shù)將信息提供給被調(diào)用方，然后被調(diào)用方用返回值的形式將結(jié)果傳回調(diào)用方.

在這種方式下，客戶端的開發(fā)者可以以正常的方式調(diào)用某個函數(shù).當(dāng)這個函數(shù)的實現(xiàn)被放在遠程服務(wù)器時，在本機的函數(shù)體中放入RPC調(diào)用的實現(xiàn)版本，稱之為客戶存根(client).這個客戶存根首先阻塞源程序，同時對接口函數(shù)的參數(shù)類型和字節(jié)數(shù)進行統(tǒng)一封裝，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)，發(fā)送RPC請求包到遠程服務(wù)器.遠程服務(wù)器接收到這個數(shù)據(jù)包后，將它傳遞給一個稱作服務(wù)器存根(server stub)的進程.服務(wù)器存根對這個包進行解析并提取需要的參數(shù)，同時調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實體，并返回相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果.然后，服務(wù)器存根返回這個結(jié)果給客戶端，客戶端重新喚醒相應(yīng)的進程，使原程序繼續(xù)運行.這樣，對開發(fā)者來講，整個過程就好像是本地調(diào)用一樣.

RPC的另一個關(guān)鍵是設(shè)計一個通信綁定過程.圖1所示為基于TCP/IP協(xié)議棧的RPC協(xié)議所采用的方法示意圖.首先，服務(wù)進程向本機守護程序注冊一個端口號，然后服務(wù)進程向目錄機器的目錄服務(wù)進程注冊一個服務(wù)名稱.之后，客戶進程就可以調(diào)用服務(wù)進程了.客戶端首先把需要的服務(wù)名稱傳給目錄服務(wù)器，目錄服務(wù)器返回具有此服務(wù)的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)地址，客戶進程隨后向該機器的守護進程(它具有公開的端口號)發(fā)出請求，目標(biāo)服務(wù)器守護進程查詢端口表并返回相應(yīng)服務(wù)的端口號，客戶進程最后通過獲得的網(wǎng)絡(luò)地址和服務(wù)端口號進行RPC連接.

圖1 RPC服務(wù)綁定過程

1.2 嵌入式環(huán)境下的分層RPC模型

通過上面分析可知，在嵌入式環(huán)境下(特別是在非以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下)，由于系統(tǒng)對資源有著嚴(yán)格的限制，用上述一般方法實現(xiàn)RPC是很困難的，甚至無法實現(xiàn).因此，設(shè)計了一個適用于嵌入式環(huán)境下的簡單、分層RPC協(xié)議，根據(jù)RPC協(xié)議原理，將RPC協(xié)議的嵌入式實現(xiàn)分成了如下3個部分:客戶存根處理模塊、服務(wù)器存根處理模塊和協(xié)議數(shù)據(jù)格式.

1)客戶存根處理模塊.模塊處理過程如圖2所示.

圖2 RPC客戶存根處理模塊

這個模塊實現(xiàn)了客戶端的RPC處理過程.在每個RPC客戶機器上實現(xiàn)一個客戶存根處理進程，這個進程負(fù)責(zé)處理本機的各個RPC調(diào)用，維護一個全局的消息隊列.當(dāng)用戶進程調(diào)用一個RPC函數(shù)時，本地函數(shù)的實現(xiàn)部分會打包相關(guān)消息(這個消息包含有RPC調(diào)用號、創(chuàng)建的接收郵箱地址、參數(shù)組編等信息)，然后發(fā)送到這個消息隊列中.客戶存根處理進程將提取、解析這些消息包，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送詢問幀以查找具有相應(yīng)服務(wù)的主機.找到后再將這個消息包打包發(fā)送到對應(yīng)主機，并接收主機的返回結(jié)果.最后將結(jié)果發(fā)送到用戶進程的郵箱中，從而喚醒用戶進程.同時，客戶存根處理進程還維護一個RPC處理狀態(tài)表，以方便客戶處理這些消息包.這個狀態(tài)表保存有RPC調(diào)用處理過程的一些狀態(tài)信息(比如狀態(tài)表保存了RPC調(diào)用的開始狀態(tài)、調(diào)用主機查詢狀態(tài)、消息返回、處理成功、超時時間等狀態(tài)).

2)服務(wù)器存根處理模塊.模塊處理過程如圖3所示.

圖3 服務(wù)存根處理模塊

這個模塊實現(xiàn)了服務(wù)器端的RPC處理過程，本機的RPC服務(wù)均在這個模塊中實現(xiàn).首先，客戶機器的一個RPC調(diào)用將會觸發(fā)服務(wù)器的RPC中斷，RPC中斷處理函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)消息放到服務(wù)器存根的全局消息隊列中.服務(wù)器存根處理進程進行消息提取、消息解析、調(diào)用服務(wù)函數(shù)表中的相應(yīng)服務(wù)函數(shù)、發(fā)送RPC結(jié)果等操作.同時，類似于客戶端處理進程，服務(wù)器存根處理進程也維護一個RPC處理狀態(tài)表，用以標(biāo)志處理過程的相應(yīng)狀態(tài).

3)協(xié)議數(shù)據(jù)格式模塊.這個模塊分2個部分，一部分是用戶進程向客戶端處理進程發(fā)送的處理消息格式，另一部分是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式.

1.3 CAN總線鏈路層協(xié)議

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)國際CAN 2.0B的技術(shù)規(guī)范，CAN2.0B含有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀，兩者區(qū)別是幀的仲裁長度不一樣，其格式如圖4所示.此設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量.

圖4 CAN鏈路層協(xié)議格式

CAN總線的應(yīng)用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，并廣泛應(yīng)用于車載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，在工業(yè)控制領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位.此處只介紹與本設(shè)計密切相關(guān)的仲裁字段、控制字段和數(shù)據(jù)字段的格式.仲裁字段包含一個數(shù)據(jù)幀的幀ID，和以太網(wǎng)不同，CAN總線的數(shù)據(jù)包是面向幀消息的，而以太網(wǎng)是面向節(jié)點的.因此，CAN數(shù)據(jù)包只包含一個幀ID，而不包含目的地址和源地址信息，控制字段包含由數(shù)據(jù)字段的長度信息(數(shù)據(jù)字段長度只能為0－8B)，數(shù)據(jù)字段則包含相應(yīng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù).

1.4 基于CAN的RPC機制的協(xié)議模塊

如上所述，RPC數(shù)據(jù)協(xié)議模塊包含2個部分.一部分是用戶進程向客戶存根處理進程發(fā)送的處理消息格式;另一部分是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式.基于CAN總線的RPC協(xié)議格式如圖5所示.

圖5 RPC數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)幀的幾點說明:

1)郵箱地址.RPC客戶存根處理進程收到遠程服務(wù)器的返回結(jié)果后，將獲得的數(shù)據(jù)放入這個郵箱地址，以便喚醒相應(yīng)用戶進程.

2)唯一調(diào)用號.這是一個全局唯一的調(diào)用號，占據(jù)1個字節(jié).系統(tǒng)必須保證所有的服務(wù)在全局僅有唯一的一個調(diào)用號碼.

3)參數(shù)組編.設(shè)計中對參數(shù)和返回值有如下規(guī)定.

①假設(shè)在函數(shù)參數(shù)列表中的參數(shù)從左到右分別是param l，param2，…，paramN，它們對應(yīng)地放在調(diào)用數(shù)據(jù)包的“參1…參數(shù)N”，那么，參數(shù)組編格式為“參數(shù)數(shù)目+參數(shù)1組編+參數(shù)2組編+…參數(shù)N組編”.參數(shù)的組編則有2種形式:非指針型和指針型.非指針型參數(shù)的組編方法為“類型編號(4 bit)+實參數(shù)據(jù)”;指針型參數(shù)的組編方法為“類型編號(4 bit)+長度(12 bit)+實參數(shù)據(jù)”.本設(shè)計參數(shù)組編方法詳見表1和表2所示.

②函數(shù)的返回值組編方法和參數(shù)組編方法一樣，只不過它是保存在服務(wù)器傳給客戶機的數(shù)據(jù)包中.

③簡單RPC只接收C語言的簡單數(shù)據(jù)類型(不包含浮點數(shù)據(jù)類型)，支持1維指針，不支持2維以上的指針，也不支持struct類型.

④數(shù)據(jù)的存放表示一律使用little endian.

⑤傳遞指針時，需要把指針指向的數(shù)據(jù)放入報文中.

4)幀類型.占2個位(2 bit)，其中“00”表示RPC結(jié)果返回幀，幀攜帶RPC的調(diào)用結(jié)果數(shù)據(jù);“01”表示調(diào)用查詢幀，幀攜帶調(diào)用請求數(shù)據(jù).客戶端用這種幀查詢哪臺服務(wù)器擁有相關(guān)調(diào)用號的服務(wù);“02”傳輸出錯報文幀，用于服務(wù)器和客戶端的傳輸信息協(xié)調(diào).這個字段和上面提到的“唯一調(diào)用號”字段組成了仲裁字段的ID字段(11 bit).

表1 非指針型組編編碼

表2 指針型組編編碼

5)剩余字節(jié)數(shù)(占用1B).如果一個幀無法傳輸完整的數(shù)據(jù)，那么需要將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成多個數(shù)據(jù)幀來傳輸.這個字段保存剩余需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目，用以完成整個數(shù)據(jù)包的完整傳輸.

6)識別號(占用1B).這個號的作用是區(qū)分不同進程對同一個服務(wù)的調(diào)用，并標(biāo)志調(diào)用進程.

1.5 重要函數(shù)

2 RPC測試與分析

采用ARM 7－Lpc2290處理器(本身帶有CAN接口)，μC/OS－II為底層操作系統(tǒng)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.設(shè)定系統(tǒng)所使用的總線速率為125 kbps.一般來說，同步RPC設(shè)計目標(biāo)主要有2個:高吞吐量和低延時，但二者不可兼得.由于在嵌入式環(huán)境下，特別是控制環(huán)境下，節(jié)點間通信的數(shù)據(jù)量比較小，對實時性有一定的要求，因此在所述的設(shè)計中以低延時作為主要目標(biāo).

測試主要考察在RPC調(diào)用過程中，RPC相關(guān)操作對調(diào)用時間的影響.測試所使用的過程接口為unsigned char W ritedata1(u8 data，u8 len).該過程中將首地址為data，長度為len的數(shù)據(jù)從客戶端發(fā)送到服務(wù)器端.如果調(diào)用成功，服務(wù)器返回接收到的數(shù)據(jù)長度，否則返回0.作為對比，本測試使用了不同大小的數(shù)據(jù)，并得到所使用的時間.由于嵌入式環(huán)境下數(shù)據(jù)量比較小，因此規(guī)定最大數(shù)據(jù)長度為256B，這個長度可以滿足大多數(shù)進程通信的要求，具體測試結(jié)果見表3.

從測試結(jié)果可以看出，RPC相關(guān)操作對調(diào)用時間的影響較低，基本實現(xiàn)了低延時的設(shè)計目標(biāo).RPC方式與直接使用消息的傳遞方式在時間消耗方面相差不大.

表3 RPC時間測試ms

3 結(jié)語

分層RPC協(xié)議可以在多個嵌入式系統(tǒng)之間順利地完成函數(shù)調(diào)用，從而提供了一定的互操作性.分層的RPC協(xié)議把進程間調(diào)用和網(wǎng)絡(luò)連接調(diào)用分開，方便了不同系統(tǒng)、不同網(wǎng)絡(luò)的編程.簡單的說，這個分層協(xié)議為客戶端和服務(wù)器之間建立統(tǒng)一的底層通信機制，使得系統(tǒng)開發(fā)者可以把精力集中到如何實現(xiàn)功能以及解決實際問題上來.

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