Linux2.6下自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站的實(shí)時(shí)性研究

在目前的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越高，實(shí)時(shí)性指標(biāo)也成為工廠選擇總線時(shí)的一個(gè)重要因素。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線作為目前國(guó)際上的一種通用現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，隨著生產(chǎn)工藝對(duì)控制要求的提高，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能要求也越來(lái)越高。
為了提高PROFIBUS-DP總線的實(shí)時(shí)性，本文在嚴(yán)格按照協(xié)議完成自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站情況下，探討使用Linux操作系統(tǒng)提高PROFIBUS-DP總線實(shí)時(shí)性的方案，以及在單主站情況下提高PROFIBUS-DP總線實(shí)時(shí)性的可行性。
1 PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性分析
實(shí)時(shí)性能主要體現(xiàn)在MAC層協(xié)議上，不同的總線采用不同的MAC子層協(xié)議，PROFIBUS-DP采用的是簡(jiǎn)化令牌總線協(xié)議。同時(shí)，測(cè)控周期是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的主要指標(biāo)。
1.1 PROFIBUS-DP的MAC層協(xié)議
PROFIBUS-DP采用簡(jiǎn)化總線令牌總線協(xié)議作為MAC層標(biāo)準(zhǔn)，其總線設(shè)備包括主站（1類主站和2類主站）和從站，系統(tǒng)組成如圖1所示。

對(duì)總線上的每一個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)地址，主站地址組成一個(gè)邏輯環(huán)，持有令牌的主站可以在持有令牌期間輪詢?cè)L問(wèn)從站。
PROFIBUS-DP的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議(MAC)包括主站之間通過(guò)占有令牌取得總線的占有權(quán)的主主通信和主站與從站之間的主從通信兩部分。本文考慮的是一個(gè)單主站系統(tǒng)，所以只探討主從通信部分的實(shí)時(shí)性。
1.2 測(cè)控周期
測(cè)控周期是指控制系統(tǒng)周期性訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上同一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔，記為Dcycle，它是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要指標(biāo)。它主要由周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tcycle、主站維護(hù)時(shí)間TGAP和非周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tacycle（包括參數(shù)配置、從站數(shù)據(jù)診斷、通信接口配置等）三部分組成。
所以，當(dāng)主站第一次上電，第一次與從站進(jìn)行通信時(shí)，單主站的測(cè)控周期可表示為：

其中N表示系統(tǒng)中的從站個(gè)數(shù)。
1.2.1 周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)間Tcycle
一次典型的數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖2所示。

其中，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時(shí)間，是其他時(shí)間參數(shù)的計(jì)量單位。由于PROFIBUS-DP采用UART編碼方式，每個(gè)字符由11位組成，所以傳輸一個(gè)字符需要11Tbit。
從圖2可知，一個(gè)報(bào)文循環(huán)由主動(dòng)幀（請(qǐng)求或發(fā)送/請(qǐng)求幀）和回答幀組成。循環(huán)時(shí)間由幀傳輸時(shí)間、傳輸延遲時(shí)間和站延遲時(shí)間組成。所以：

1.2.2 主站維護(hù)時(shí)間TGAP
當(dāng)總線上同時(shí)存在多個(gè)從站時(shí)，主站需要與總線上的每個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對(duì)于單主站系統(tǒng)，該主站將一直持有令牌。所以，當(dāng)主站處理完與一個(gè)從站的周期信息后，就會(huì)發(fā)出Request_FDL_Status去查詢GAP中的一個(gè)地址，更新NS值，查找是否有其他從站已經(jīng)在總線上等待與主站通信。
由于PROFIBUS-DP主站是按地址遞增順序查找從站，并且Request_FDL_Status采用的是以SD1為起始符的報(bào)文幀，實(shí)際上，從站隨時(shí)都監(jiān)聽(tīng)著總線上的數(shù)據(jù)，所以當(dāng)報(bào)文幀中從站地址與自身地址相同后，從站就會(huì)傳遞應(yīng)答幀給主站。
在實(shí)際應(yīng)用中，總線上的從站地址一般都按順序排列（如從站5、從站6、從站7），很少出現(xiàn)跳躍，通常為：

2 Linux2.6下PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性分析
由于是自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP主站(未采用協(xié)議芯片)，所以Tsdr和TID1這兩個(gè)參數(shù)完全由程序決定。如果能縮短這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，則對(duì)PROFIBUS-DP的實(shí)時(shí)性能的提高有很大的意義。
2.1 Linux2.6的實(shí)時(shí)性分析
Linux2.6內(nèi)核相對(duì)以前的Linux內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面有了很大的增強(qiáng)，包括O(1)調(diào)度器、可搶占式內(nèi)核、改進(jìn)的線程模型以及對(duì)新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持。
2.1.1 可搶占式內(nèi)核
在2.6版的內(nèi)核中，引入了內(nèi)核的可搶占性，只要調(diào)度是安全的，內(nèi)核就可以在任何時(shí)間搶占正在執(zhí)行的任務(wù)。也就是說(shuō)，只要沒(méi)有持有鎖，內(nèi)核就可以進(jìn)行搶占。鎖是非搶占區(qū)域的標(biāo)志，由于內(nèi)核支持SMP，所以，如果沒(méi)有持有鎖，則正在執(zhí)行的代碼就是可重入的，也就可以搶占。
2.1.2 定時(shí)器
時(shí)鐘粒度是否粗糙是制約實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要方面。Linux2.6已將終端頻率改為1 000 Hz，即時(shí)鐘粒度為1 ms。
2.1.3 虛擬內(nèi)存
Linux2.6內(nèi)核雖然支持虛擬內(nèi)存，但是虛擬內(nèi)存的使用將會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的不確定性，所以在移植Linux內(nèi)核時(shí)，應(yīng)盡可能去掉虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存機(jī)制，盡量保證應(yīng)用程序直接訪問(wèn)物理內(nèi)存。
2.1.4 調(diào)度策略
Linux2.6中不但支持基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，還支持基于比例共享的調(diào)度策略。同時(shí)，Linux2.6內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度算法的復(fù)雜度為O(1)，這對(duì)于進(jìn)程的切換效率有了很大的提高。

2.2 Linux2.6下PROFIBUS-DP單主站的軟件設(shè)計(jì)
PROFIBUS-DP單主站的主從通信設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

從“從站通信調(diào)度模塊”開(kāi)始，該模塊根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的詢問(wèn)從站在線命令幀對(duì)相應(yīng)的從站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，然后調(diào)用“從站是否運(yùn)行模塊”，判斷從站是否在線；如果在線，就進(jìn)入“從站通信管理模塊”。在該模塊中，由于已經(jīng)將Linux移植到了該硬件平臺(tái)上，所以通過(guò)fork()函數(shù)，建立一個(gè)進(jìn)程，單獨(dú)處理與特定從站之間的通信；如果有多個(gè)從站都進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，則建立多個(gè)進(jìn)程，分享CPU，按一定的調(diào)度策略處理與主站及從站之間的通信。接著，按照PROFIBUS-DP協(xié)議的規(guī)范，調(diào)用相應(yīng)的“請(qǐng)求幀模塊”，發(fā)送命令幀給從站設(shè)備；從站在接收到請(qǐng)求幀后，會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送回應(yīng)幀響應(yīng)主站，同時(shí)，主站在特定的時(shí)間內(nèi)會(huì)調(diào)用“接收請(qǐng)求幀模塊”，處理接收到的響應(yīng)幀。
在軟件設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄PROFIBUS-DP主站的狀態(tài)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct host_info{
u8 host_addr;
u8 host_mechanism_flag;
u16 Cycle_Interval;
struct host_fc FC;
u32 baud_rate;
u8 baud_index;
}*pHOST;
另外，軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)于從站也設(shè)計(jì)了單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護(hù)其狀態(tài)。從站的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct slave_info{
u8 global_status;
u8 address;
u8 baud_support;
u8 configuration_flag;
……
}*pSlave;
同時(shí)，由于有了特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護(hù)，在主從數(shù)據(jù)的交換過(guò)程中，采用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)（即當(dāng)讀取到DP從站的輸入數(shù)據(jù)后，直接將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)填充到輸出幀對(duì)應(yīng)的位置），將大大縮短程序查找內(nèi)存的時(shí)間，加快響應(yīng)速度。
另外，本軟件設(shè)計(jì)還采用了單緩沖技術(shù)。所謂單緩沖區(qū)是指不考慮通信中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)而只保留當(dāng)前最新的一幀。這樣緩沖區(qū)中隨時(shí)都只有一幀有效數(shù)據(jù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
2.3 Linux操作系統(tǒng)下PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的改善
與無(wú)操作系統(tǒng)、由安全使用協(xié)議完成的PROFIBUS-DP單主站相比，使用Linux2.6操作系統(tǒng)后，實(shí)時(shí)性的改善主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.3.1 站延遲時(shí)間Tsdr
站延遲時(shí)間是指接收方從接到請(qǐng)求到產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。在本設(shè)計(jì)中，由于移植的Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)去掉了對(duì)虛擬內(nèi)存的支持，所有數(shù)據(jù)都直接存放到物理內(nèi)存中，同時(shí)使用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)，因此加快了數(shù)據(jù)交換的速度。
2.3.2 從站之間的相互切換
在未使用Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站中，如果總線上存在多個(gè)從站，PROFIBUS0-DP與從站的通信完全由程序的邏輯來(lái)保證，這無(wú)疑會(huì)加大編程人員的難度，如果稍有不慎，可能會(huì)導(dǎo)致通信出現(xiàn)混亂，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤。
使用了Linux操作系統(tǒng)后，PROFIBUS-DP主站與各個(gè)從站的通信分別由對(duì)應(yīng)的進(jìn)程處理，總線中有多少個(gè)從站，程序中就會(huì)有多少個(gè)進(jìn)程。這樣，對(duì)各個(gè)從站的管理就變成對(duì)各個(gè)進(jìn)程的管理，只要選擇合適的調(diào)度策略，則對(duì)各個(gè)從站的管理就不會(huì)出現(xiàn)混亂。同時(shí)，Linux2.6內(nèi)核中由于調(diào)度復(fù)雜度為O(1)，所以進(jìn)程切換時(shí)間大大縮短，這對(duì)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也有很大好處。
2.3.3 從站響應(yīng)時(shí)間
從站響應(yīng)時(shí)間是指當(dāng)有新的從站掛到總線上時(shí)，PROFIBUS-DP單主站識(shí)別該從站的時(shí)間。在一般的系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP主站通過(guò)輪詢識(shí)別從站，而在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)有新的從站掛到總線上時(shí)，會(huì)通過(guò)一個(gè)中斷信號(hào)告訴該主站，從而與該從站優(yōu)先通信。此設(shè)計(jì)是為了使系統(tǒng)更具智能性，這是標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP協(xié)議中沒(méi)有的。
3 主站平臺(tái)實(shí)時(shí)性能測(cè)試
PROFIBUS-DP主站的主從通信的實(shí)時(shí)性能主要通過(guò)測(cè)控周期來(lái)判斷。搭建測(cè)試平臺(tái)由一臺(tái)PC機(jī)（主要用作上位機(jī)，向主站下載GSD文件）、自己設(shè)計(jì)的嵌入式主站平臺(tái)(選用的是S3C2410芯片)和3個(gè)PROFIBUS-DP從站（ET200S、mm420和自主設(shè)計(jì)的從站）構(gòu)成，如圖4。

本次測(cè)試的比特率選定為9.6 K，同時(shí)對(duì)三個(gè)從站進(jìn)行組態(tài)，分別測(cè)試移植Linux操作系統(tǒng)該主站平臺(tái)的測(cè)控周期Dtop和移植Linux操作系統(tǒng)后主站的測(cè)控周期Dend。
通過(guò)試驗(yàn)，從示波器上的測(cè)試圖形可以看出ttop的寬度大于tend的寬度，具體測(cè)量后可知：
無(wú)操作系統(tǒng)下：Dtop≈297.3 ms
Linux操作系統(tǒng)下：Dend≈10.7 ms
可見(jiàn)，移植Linux操作系統(tǒng)后,能使響應(yīng)時(shí)間大大降低，提高對(duì)從站的管理效率。
本文對(duì)影響PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的因素進(jìn)行了充分分析，同時(shí)，在自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP單主站平臺(tái)的基礎(chǔ)上，討論了無(wú)操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下對(duì)PROFIBUS-DP系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響，提出了提高自主設(shè)計(jì)的PROFIBUS-DP實(shí)時(shí)性的方法。最后，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，根據(jù)測(cè)控周期這個(gè)指標(biāo)比較了兩個(gè)實(shí)時(shí)性之間的差異。
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