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关于嵌入式系统中通讯协议设计的规律浅析

2018年12月06日 16:33 次阅读

公司里做项目,嵌入式系统大大小小,到处都是。因为都是一个系统里的,所以都需要通讯,既然通讯就涉及到协议问题。

谈及协议,很多工程师觉得协议的设计相对简单,主要是报文的设计。大多数时候,协议的应用场景简单,没有复杂的交互。这么做的确也是没什么太大的问题。然而,就是这么简单的场景,仍有一些协议会在实际中发生意想不到的问题。归根结蒂,还是没有把握协议涉及的规律。下面我们简单的聊聊协议设计的规律。

关于嵌入式系统中通讯协议设计的规律浅析

协议设计中面临的问题:

1.设计者大多数情况下,从应用出发,仅仅考虑了基本需求的满足,没有考虑扩展需求的满足;

2.从osi七层理论上,我们往往设计的协议时站在比较高层的角度去设计,往往忽视了RS485/RS232, I2CCANETHERNET等物理层承载特点,设计缺乏对具体应用的针对性,导致潜在问题的产生;

3.容错和效率的考虑不足。

基本需求肯定是完成系统的基本功能。然而可能因为需求定义的不完整,系统设计人员没有前瞻性;协议中没有定义版本号,没有对协议兼容性的测试,导致老产品和新产品协议不兼容,而又无法采用简单的软件办法解决。这是个常见问题,最简单的办法是在握手协议中增加协议的版本号,用以判断是否对该协议支持以及为后续的软件做兼容准备。协议看似好像只有报文设计,就像一个人一样,他在父母的眼里永远是个孩子,在自己的孩子面前是父母,在朋友面前是朋友。我相信所有这些侧面合起来才是一个完整的人。UML 从不同的角度去观察系统会得到不同的图。协议也是如此,协议的报文只是协议静态特性的一个方面,协议还有更重要的动态特性。如出错后怎么办,重发?重发几次?节点损坏如何从网络中剔除?怎么样才是一个完整的通讯过程?持续的时间是多少?最坏情况下是怎么样的?最好的情况下是什么样的?谁发起通讯?重要的协议可能要保证非常可靠,如何确定接受者接收的完全正确,并且可靠执行?往往这些问题已经超出了对报文自身的考虑,而是对系统解决方法的一种设计。这里有个小例子,一个RS485的半工通讯,主机向从机发送数据,希望从机可靠保存该数据;从机接收到该数据验证完毕后,写入自身的存储装置,然后再回应主机,写入成功或者失败。但这里有个问题,rs485是个主/从结构,无法同时发送数据,只能由主机点名从机回应。如果写入时间过长,从机回应报文的时间也必定过长;如果从机很多的话,这个时间就经不起浪费了。可能修改为,从机收到主机的信息后,立即应答收到。主机再分发其他从机的数据,分发完毕后,再由主机采用查询协议查询从机写入的成功与否。 当然,也可以采用一些系统级的办法,只要从机收到数据后,从机一定保证数据写入成功,那么这个问题也变得简单了。主机也不用再查询写入是否成功了。软件的设计也就相对简单很多。

RS485/RS232也有双工通讯,但在实际中用得少。这里除了省线材之外,恐怕最重要的是因为RS485/RS232不带冲突检测,要么采用大家轮桩做主机,要么一个主机,点名让大家发言的办法。所以,通讯采用一问一答的方法比较多,这比较符合半工的工作状态。当然不排除一些双工的应用场景。实际应用中,大多数还是采用半工的办法。这里协议的设计主要考虑单点较多;多播和单播,因为不能确定从机是否接收成功,所以重要的协议在多播和广播之后还要查询,这个是很麻烦的事情。软件过程因此而复杂很多。RS485/RS232的通讯有自己的检测错误的办法,比如说奇偶校验,奇偶校验是一种简单的错误校验,并不能100%的挡住错误;对于可靠地协议,可能还是要设计自己的CRC或者校验和等方法。但CRC校验虽然可以用查表的办法,但计算时间比奇偶校验和校验和等方法计算量还是过大了些。在一些实时性和低端应用场合,可能时间开销大了些。所以,如果报文不是过大,还是可以考虑奇偶校验和校验和;如果过大,先考虑crc8,再考虑crc16和crc32,不要一竿子切。

I2C的通讯一般只用于板级,但现在也有用于现场总线的趋势。I2C设计之初是支持多主多从,两个主机可以同时发送信息,仲裁获胜的主机获得总线,继续发送。有仲裁不代表可以同时双向发送信息,即主机和从机的地位还是不同的,主机点名从机回应信息;虽然现在的CPU所带的I2C硬件同时支持主模式和从模式,但在同一时刻,这两个模式是不相容的。对于一个节点要么是主要么是从,而每次通讯都是由主发起,从被动接收,这就导致了和rs232无本质的区别。且,I2C的物理层协议也决定了,其通讯方式也没有rs232灵活,只能工作在半工状态。两个CPU传递一些简单的信息,在CPU无多余的rs232情况下,还是非常有用得。由于是板级的通讯,信号的完整性保证了以后,基本上不可能存在错误,也不需要额外的校验方法了。

Ethernet和CAN总线类似,所有节点对等,无主从之说,谁都可以发起信息。由于冲突的检测,使得仲裁失败的节点稍后重试,物理层完成,不需要软件参与,因而给协议设计带来了极大的便利。比如说,先前的那个问题,一个广播协议出去,不再像 Rs232/rs485那样,再去一一查询确认。有问题的设备直接上报问题就好。大大的简便了问题的处理。RS232/RS485的节点如果发生问题,需要上报,也只能等到主机点名时才能有机会上报。Ethernet/Can就不用了,发生问题后,直接主动上传。可以确保问题和紧急情况的及时处理。如果Ethernet是基于TCP的协议,效率低了,但却保证了很多特性,数据的顺序到达,可靠性等等。IP 层以下的协议有很大的问题就是不能保证数据的顺序到达,多个路径的长短会影响协议到达的顺序,有些系统在设计时为了效率,采用UDP或者MAC层直接通讯。那么最好还是采用较为保守的策略,防止协议报文先后到达产生不必要的错误。Ethernet物理层 带有CRC32校验,自己再做校验实在没必要。

协议的效率是个较复杂的话题,以RS232为例,RS232如果1个起始位置,1个停止位置,没有奇偶校验。那么发送一个字节需要10Bit,对于9600bps的波特率,1秒钟最多传输960个字节。大约是1ms一个字节。如果停止位加长,协议一次性运送的有用的字节数还要更低。除去必要的帧头,帧尾,地址,校验信息,真正有用得信息除以总的总线上运送的字节数,就是协议的带载能力。很显然,如果我用多播和广播,明显地提高效率。对于RS232这种,广播也许并不是个好的选择,尤其是回头确认一遍。也许提高波特率是个不错的主意。这随之而来的问题是,1Mbps的通讯系统,1Start,1stop, non-parity, 1个字节只需要10us,这么快的中断不是普通的CPU能承受的。所以,可能需要DMA来接收。DMA 接收的话,就牵涉到变长的协议和定长的协议。变长的协议要动态的判断是否收到一个完整的包,而定长的协议,对于高速的RS232有无可比拟的优势。大大降低计算的复杂度。定长的协议就牵涉到协议的长度。我们一般把最频繁出现的协议的长度作为全部协议报文的长度。对于超长的协议,由于使用次数不多,拆成多条定长协议吧报文完成。比如说,我们的系统控制命令长度为所有协议的长度,因为80%的协议报文都是系统控制命令。而20%的报文是其他出现频率较低的报文,如系统固件升级报文,本身固件的大小就很大,就算超长的报文也不可能容纳。砍成与控制命令报文等同的长度。看似比较零散,每包却都有各自独立性。都可以做单独的报文发送,前后的耦合性降到最低,也就是说,虽然大协议被拆分成小的等长协议报文,每个等长报文在发送过程中出错,可以单独再发送,整个通信序列无需重置。通过合理的设计,协议的效率自然而然的就被提升了。

Ethernet的设计相对宽松,其底层太强大了。很多工作都做了,所以,等长不等长对Ethernet系统无所谓。关键要解决Ethernet的通信模型问题。如果是嵌入式服务器,TCP 保持半开链接不能太耗费资源。如果是UDP或者mac层的协议,需要对协议序列的先后到达顺序进行解耦,防止出现不必要的问题。如果一个大协议包,需要拆成三个包发送,三个包顺序任意无影响;任意包发生错误,只需要将错误包重发成功即可。Ethernet由于速度高,协议带载能力可以得到很好的补充。另外,由于Ethernet是一个完美支持多播和广播的网络,实际中使用广播太多造成了广播风暴,导致网络性能急剧下降,所以现在分了虚拟局域网,就是为了抑制广播风暴,提高效率。实际使用中还是要尽量的合理设计系统,避免过多的广播协议的使用,以免拖慢整个网络系统。

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