一種基于嵌入式系統(tǒng)的通訊中間件設(shè)計(jì)

劉逸涵 李興智 宋丫 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

中間件是一類連接軟件組件和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)軟件。以便于運(yùn)行在一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器上的多個(gè)軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。該技術(shù)所提供的互操作性，使得一致分布式體系架構(gòu)的演進(jìn)，該架構(gòu)通常用于支持并簡(jiǎn)化那些復(fù)雜的分布式應(yīng)用程序。

中間件在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)之上，應(yīng)用軟件的下層，總的作用是為處于自己上層的應(yīng)用軟件提供運(yùn)行與開發(fā)的環(huán)境，幫助用戶靈活、高效地開發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用軟件。在眾多關(guān)于中間件的定義中，比較普遍被接受的是IDC表述的：中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，中間件位于客戶機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。

中間件能夠屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，為應(yīng)用程序提供多種通訊機(jī)制，并提供相應(yīng)的平臺(tái)以滿足不同領(lǐng)域的需要。因此，中間件為應(yīng)用程序提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。然而，中間件服務(wù)也并非適用于所有情況，多數(shù)流行的中間件服務(wù)使用專有的API和專有的協(xié)議，使得應(yīng)用建立于單一廠家的產(chǎn)品，來(lái)自不同廠家的實(shí)現(xiàn)很難互操作。有些中間件服務(wù)只提供一些平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，從而限制了應(yīng)用在異構(gòu)系統(tǒng)之間的移植。

1 通信中間件的設(shè)計(jì)思想

通信中間件是位于應(yīng)用平臺(tái)和硬件通信平臺(tái)（通信介質(zhì)/協(xié)議）之間解決嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連的中間適配層。該層向下屏蔽掉硬件網(wǎng)絡(luò)通信接口平臺(tái)（RS232/485、USB、以太網(wǎng)、Modem等）的差異，即基于不同介質(zhì)、不同電氣特性和不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備之上，能夠?qū)Ω鞣N標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸接口進(jìn)行透明傳輸，向上為用戶層提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用層的開發(fā)基于該接口進(jìn)行。通信中間件的核心思想就是定義一組接口通信的標(biāo)準(zhǔn)，以及為這一標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)設(shè)施，其它高層的軟件均遵照這種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)造應(yīng)用程序，使得符合通信中間件規(guī)范的接口通信有著很強(qiáng)的互操作性。

首先，當(dāng)系統(tǒng)通信接口平臺(tái)改變時(shí)，只需改變中間適配層的幾個(gè)參數(shù)，只要保持應(yīng)用層對(duì)通信中間件層的接口定義不變，就可以直接將應(yīng)用程序移植過(guò)去運(yùn)行。所有代碼只需編寫一次就可在任何系統(tǒng)上運(yùn)行，大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，提高了開發(fā)效率，同時(shí)還保證了系統(tǒng)的高伸縮性、易升級(jí)性和穩(wěn)定性。其次，通信中間件屏蔽了底層通信平臺(tái)的差異，提供了標(biāo)準(zhǔn)的封裝接口。當(dāng)系統(tǒng)的底層通信接口改變時(shí)，不用修改應(yīng)用程序，只需在通信中間件的驅(qū)動(dòng)層增加幾個(gè)相應(yīng)的通信接口控件驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新接口的適配，從而就能保證通信系統(tǒng)在線運(yùn)行情況下，接入各種新設(shè)備，以不變的程序應(yīng)對(duì)萬(wàn)變的協(xié)議，從而達(dá)到系統(tǒng)之間的互通、互連、互操作的目的，使得系統(tǒng)維護(hù)使用真正做到“傻瓜智能”。

2 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)通信的硬件平臺(tái)采用基于ARM微處理器的嵌入式通信硬件平臺(tái)，底層通信接口包括RS232串行接口、USB、以太網(wǎng)接口、Modem及擴(kuò)展接口等。

通用通信軟件適配層（即中間件層）定義和設(shè)計(jì)支持各種通信接口的通用通信協(xié)議。該層向下與各種通信接口相適配，向上提供與通信接口無(wú)關(guān)的統(tǒng)一接口。應(yīng)用平臺(tái)是利用ACOM通信中間件通過(guò)各種通信接口以及通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)和消息的傳遞。

3 分層設(shè)計(jì)

我們利用分層體系結(jié)構(gòu)思想對(duì)通信中間件ACOM進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，將其分為三層結(jié)構(gòu)：API層、socket層、driver層。這種分層式設(shè)計(jì)思想可以將每一層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對(duì)相鄰協(xié)議層加以屏蔽，提供服務(wù)訪問(wèn)接口進(jìn)行層間數(shù)據(jù)傳遞，各層數(shù)據(jù)獨(dú)立封裝。發(fā)送和接收端的各層協(xié)議存在邏輯上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

Driver層（設(shè)備驅(qū)動(dòng)層）：

ACOM定義了一系列的設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)建立與物理層的接口及與socket層的接口。通過(guò)建立設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)控制設(shè)備的通信，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義相應(yīng)的函數(shù)指針用以調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備通信函數(shù)。

Socket層（設(shè)備抽象層）：

該層定義關(guān)于通信控件設(shè)備的一些信息屬性，如：通信控件設(shè)備驅(qū)動(dòng)信息屬性、數(shù)據(jù)包信息屬性、通信設(shè)備socket信息屬性、信息屬性等，及數(shù)據(jù)處理函數(shù)，包括數(shù)據(jù)的編譯碼、數(shù)據(jù)的打包及讀寫數(shù)據(jù)緩存操作和系統(tǒng)目標(biāo)析構(gòu)函數(shù)。

API層（用戶程序接口層）：

ACOM軟件的應(yīng)用程序接口（簡(jiǎn)稱API）向用戶提供ACOM的初始化、ACOM控件接口操作、及ACOM用戶API三大功能。ACOM的初始化函數(shù)向用戶提供ACOM系統(tǒng)的初始化及釋放功能；控件接口操作函數(shù)向用戶提供對(duì)ACOM設(shè)備控件初始化操作，當(dāng)初始化完成后，底層的操作對(duì)用戶是透明的；ACOM API向用戶提供對(duì)消息的基本操作功能。從通信中間件的設(shè)計(jì)可以看出，用戶在使用數(shù)據(jù)對(duì)象時(shí)只能訪問(wèn)由通信軟件提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用戶程序接口，其他所有有關(guān)對(duì)象的信息則保存在驅(qū)動(dòng)層中。對(duì)用戶而言，這些對(duì)象信息已被隱藏封裝起來(lái)，屏蔽了底層操作。而對(duì)于底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)是指當(dāng)?shù)讓油ㄐ沤涌诟淖儠r(shí)，不用修改應(yīng)用程序，只需在driver層增加幾個(gè)相應(yīng)的通信接口控件驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新接口的適配，通過(guò)ACOM軟件的通用性達(dá)到其設(shè)計(jì)目的。

4 通信中間件的數(shù)據(jù)流程

以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊為例講述一下利用通信中間件通信時(shí)的數(shù)據(jù)流程。

用戶A：用戶激活接口控件，Acom消息循環(huán)收到系統(tǒng)消息，此消息中包含欲連接的對(duì)方的地址及一些其它信息。Acom根據(jù)命令初始化Acom_driver，驅(qū)動(dòng)該控件的緩沖區(qū)及函數(shù)指針按照相應(yīng)設(shè)備的規(guī)定作相應(yīng)初始化。在Acom_driver調(diào)用Acom_open_socket函數(shù)創(chuàng)建socket，socket層讀取命令，按照Acom協(xié)議的規(guī)定調(diào)用Acom_code函數(shù)對(duì)請(qǐng)求消息進(jìn)行編碼及Acom_pack函數(shù)進(jìn)行打包，將數(shù)據(jù)包放入底層driver層的發(fā)送緩沖區(qū)，調(diào)用發(fā)送函數(shù)。

用戶B：driver層收到A發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)（連接請(qǐng)求），Acom消息循環(huán)讀取driver層接收緩沖區(qū)內(nèi)容。當(dāng)發(fā)現(xiàn)是請(qǐng)求連接的消息后，根據(jù)數(shù)據(jù)包中所帶的源地址創(chuàng)建socket以進(jìn)行通信。socket層將確認(rèn)信號(hào)進(jìn)行編碼打包發(fā)送至driver層的發(fā)送緩沖區(qū)。driver直接再將數(shù)據(jù)發(fā)送至A方的driver。

用戶A：driver層收到確認(rèn)消息后進(jìn)行解碼，socket層讀取轉(zhuǎn)發(fā)至Acom消息循環(huán)。上層判定為確認(rèn)信息則根據(jù)用戶需要發(fā)送相應(yīng)的命令至socket層，socket層根據(jù)命令調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，如短消息通信或文件傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

ACOM通信中間件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與基本的通信接口通訊功能。系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，引入了設(shè)備抽象層的概念，使系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行應(yīng)用程序的移植和調(diào)試工作，并可以跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移植。用戶無(wú)需訪問(wèn)底層程序，只需要調(diào)用系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)用戶程序接口就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊協(xié)議的訪問(wèn)和使用。所有代碼都只需編寫一次就可在任何系統(tǒng)上運(yùn)行，大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，提高了開發(fā)效率，同時(shí)保證了系統(tǒng)的易升級(jí)性。