基于VxWorks的多路高速串口的通信方法设计

串口通信具有传输距离远、传输稳定、简单实用等特点，已被广泛应用于工业控制、数据采集、网络通信等领域。在这些应用领域中，串口通信用于实时地从各个串口接收数据，而向各个串口发送的主要是控制信息，一般不要求严格的实时性。因此提高串口设备接收的实时性至关重要。

设备接收到数据时，系统可通过两种途径获取数据包到达的信息。一种是中断方式，利用硬件中断机制实现设备和系统的应答对话，即当外部设备需要CPU处理数据时，设备就发一个中断信号给系统，系统在收到中断请求时要保存中断现场，调用相应的中断服务程序响应设备的中断请求，退出中断处理程序后要恢复现场。上下文的切换要占据系统开销，在数据量过载时会使得中断频率过高，CPU忙于处理硬件中断，上层应用程序对于数据包的处理无法执行，而中断程序还不断往队列中放数据，系统将自陷在中断响应这一环节，产生所谓的“活锁”。另一种是轮询方式，系统每隔一定时间便检查一次物理设备，若设备“报告”有数据到达，则调用相应的处理程序。但固定的轮询周期增加了数据等待处理时间，降低了系统实时性。而且当数据量比较小时，频繁查询没有数据达到的设备也是对CPU资源的浪费。

可见中断和轮询方式都不能满足不同负载情况下系统的实时性要求。本文借鉴Linux系统中NAPI[1]方法，结合中断与轮询的优点，提出一种轮询与中断结合的调度方式。这种调度机制在多串口系统中，当负载在不同的串口通道不均衡时，可以提高CPU的利用效率，并能满足业务的时延要求。另外，根据到达数据量分析得出了轮询、中断切换门限和轮询周期。

1 算法描述

在同一系统中处理相同业务量时，中断和轮询处理的时间相同。因为过程相同，都是把数据从外设缓冲搬移到CPU内存中，所不同的是中断进行上下文切换要占据系统开销，而轮询只是查询一下寄存器状态。相比之下，轮询占用CPU的时间很短，一般中断为几个μs，轮询为几百ns，根据不同系统而有差别。相反，在数据量比较小的情况下轮询中存在空转情况，无疑增加了系统开销。

目前，处理中断和轮询互换的方法有定时中断法(Clocked Interrupts)，即设置一个定时器，定时器到时，如果有中断，则响应中断，调用中断服务程序处理数据。这种方法在数据量大时类似于轮询，在负载小时中断由异步事件触发降低了开销。但是这种机制需要一个精确的、频率很高的系统时钟，并且这种方法受固定定时周期的限制，不是在任何情况下都有效。

在并行系统中还应用了一种叫轮询定时（Polling Watchdog)的机制，这种方法主要是为了解决接收处理中的等待时延问题。基本思想就是在轮询接收开始时设置一个看门狗定时器，以满足业务的最小时延要求，而且中断要在接收超时才产生。此方法的不足之处是在负载小时解决不了轮询空转问题。

混合中断、轮询方式(HIP)主要应用在网络接口系统中。工作方式为基于观测接收的负载，改变切换门限，自动在中断和轮询两种方式中切换。中断方式没有考虑到超时中断，当数据到达间隔很大时，会降低实时性。在比较中断和轮询开销时，定义VI+V(B)为中断开销，其中VI为中断的固有开销，V(B)为系统接收B字节数据的开销，VP+V(B)为轮询开销，VP为轮询的固有开销。但在一次轮询和中断接收中，中断和轮询所接收的数据可能不相等，中断开销和轮询开销便失去了比较意义。

以上几种方法均有不足，但在多路串口系统中，还各有不同的特点，即在每个独立的通道可能存在不同的负载情况。如果对全部的串口通道统一应用中断方式或查询方式，则显然不能适应各自串口通道的数据量，不能满足系统实时性和高效率的综合要求。根据这一特点，提出了在多路串口系统中，轮询和中断相结合的接收策略，在中断方式下还灵活应用了批中断技术。

算法描述：
com0=polling...comN=polling
For comID←0 up to comMAX
If TI>γ or PU=PUMAX Then
comID=interrupt
DelList(comID)

N路串口的初始状态为轮询，检查轮询队列，如果数据到达间隔时间TI大于门限γ或者轮询空转次数PU等于空转门限PUMAX，则该端口改为中断状态，在轮询队列中删除该端口。根据不同的系统，间隔时间门限γ和空转门限PUMAX的取值不同。

If TIγ Then
comID=polling
AddList(comID)

在中断状态下，如果数据到达间隔时间TI小于门限γ，则该端口改为轮询状态，在轮询队列中增加该端口。

2 门限设计

如果事件随机发生而且发生频率很低，以致大多数轮询都认为事件没有发生，则中断就会是首选的事件通知机制；如果事件定期发生且可以预测，而大多数轮询都发现事件已发生，则首选机制是轮询。在这两者之间存在这样一种情况，即轮询行为和反应型行为的效果都相同，在它们之间如何选择都无关紧要。这种情况即为所寻找的轮询和中断的切换门限。

2.1 门限度量标准的选择

数据多少的衡量都是以单位时间内的吞吐量计算，即数据速率。如果以吞吐率的多少作为切换门限的标准，则在分组定长情况下，这种计算方法可以近似体现出负载情况，但当分组不定长时就不能体现实际负载了，如图1所示的四种情况。

图1(a)和图1(b)的分组长度不同，但之间的到达间隔都很小。计算得出图1(b)单位时间的吞吐率明显要比图1(a)小，但如果图1(b)采用中断方式，就要频繁地响应中断，效率将大大降低。图1(d)的分组很长，一次接收中接收到的数据非常多，但之间的到达间隔很长，如果计算吞吐率选择的单位时间正好为数据接收时间，在这一段时间内吞吐率很大，则误认为数据量很大，选择轮询方式接收。相比之下，图1(c)和图1(d)选用中断方式更为理想。

根据以上分析可以发现，用数据到达的时间间隔可以近似地表示数据量的大小。如果数据到达间隔很小，且频繁到达，则认为负载很大，选择轮询方式；如果数据到达间隔很大，则认为负载很小，选择中断方式。在轮询方式中，如果根据已知的到达时间，推算出下一数据的到达时间，根据计算出的结果来设定轮询周期，则轮询效率更加提升。

2.2 门限的计算

上述计算到达间隔判断切换时机的方式，不能体现数据到达间隔的变化规律。可选用平均到达时间的均方根和均值的比值作为判断切换的标准，这个比值系数代表了平均到达时间的变化程度。当比值小时表明预测的值与平均值偏差很小，数据到达的间隔时间是有规律的，可以预测。这种情况显然要应用轮询方式，把轮询周期设为平均到达间隔时间。

平均到达间隔时间的计算方法如下式：

式中：D为最后一个数据到达的间隔时间；α为平均到达间隔时间的加权系数，α控制着D相对于以往的到达时间间隔历史所占的比重。用这种方法，平均到达间隔时间就可以积累到达间隔时间了。

平均到达时间的方差用下式估计：

式中：β为到达间隔时间的方差加权系数，且控制估计器的记忆性。σ2开方就得到平均到达间隔时间的均方根σ了。
下式表明了切换到轮询时的门限：

式中：γ为预测门限，为系统可容忍的最大轮询周期，在本系统中为满足上层的应用，为20 ms。表明数据到达间隔规律；表明平均到达间隔小于系统所能忍受的最小间隔。数据到达不频繁，认为满足以上两个条件时切换到轮询模式；当满足的条件相反时，切换到中断方式。

3 实例分析

在可接收10路空中信号的多串口系统中对该算法进行实现，系统结构如图2。该系统可将数据信息（主要为语音数据）接收后转换为以太网数据包，通过10MHz以太网口送出。同时，它从以太网口接收来自控制台的各类指令，完成相应的处理任务。