AnyWhere——面向設備的編程模式
發布時間：2010-1-11 14:18
發布者：李寬
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1 嵌入式系統傳統編程模式 嵌入式系統與通用計算機系統同源，可是因為應用領域和研發人員的不同，嵌入式系統很早就走向相對獨立的發展道路，其編程模式與通用計算機系統有較大的區別。一般來說，嵌入式系統傳統編程模式有面向寄存器的編程模式、面向API的編程模式、面向端口的編程模式等，其中面向寄存器的編程模式仍然占主導地位。 1．1 面向寄存器的編程模式 嵌入式系統是一個軟硬件結合的系統，其中硬件是基礎，所有的嵌入式軟件都會直接或間接地操作硬件。所謂“面伺寄存器的編程”，就是軟件直接操作硬件提供的編程接口來編寫嵌入式軟件的編程模式。目前，本地硬件提供的編程接口大多數為寄存器，它們通常映射到軟件能夠直接訪問的I／O空間或存儲器空間。 面向寄存器的編程模式的基本步驟如圖1所示，這是一個蜂鳴器鳴叫的程序。由此可以看出，面向寄存器的編程模式需要對硬件細節非常了解，這是非常繁瑣和容易出錯的，并且對開發人員的要求較高。 一句話形容：面向寄存器的編程模式就是自己既作將軍又作士兵，眉毛胡子一把抓。 1．2 面向API的編程模式 面向寄存器的編程模式非常麻煩，效率低下，不是人人都能勝任的。為了方便嵌入式軟件的編寫，有些公司編寫軟件把硬件屏蔽起來形成API，應用軟件則通過這些API接口訪問硬件。這種通過第三方軟件提供的接口來訪問硬件的編程模式就是面向API的編程模式。 即使相同的硬件，不同公司提供的API也有很大的出入。有些僅僅提供了一些程序庫，對硬件進行簡單封裝。而有的則提供標準的操作系統接口，如WinCE、嵌入式Linux和VxWorks等。 所有這些API一般是面向本地硬件和部分特定總線(如PCI、USB)的遠程硬件的。 面向API編程模式的基本步驟如圖2所示�？梢钥闯�，面向API的編程模式只需要對硬件細節有大概的了解即可，但需要對API手冊進行詳細閱讀才能開發。不同系統的API可能完全不同，換一種系統，開發人員就需要重新熟悉新的API。另外，不同系統的API功能和性能差異極大，對開發人員的要求也有較大的差別。一句話形容：面向API的編程模式就是手把手教別人干活。 
1．3 面向端口的編程 面向端口編程是PLC(可編程邏輯控制器)的編程模式。PLC把所有硬件都虛擬成端口，通過對端口的讀寫完成對硬件的控制。PLC最初是為了替代繼電器編程，對復雜程序的支持比較弱，對遠程硬件的支持也比較弱(主要支持PLC廠商自己的配件)。
2 嵌入式系統傳統編程方法的困境 2．1 對 比 各種傳統的嵌入式系統編程模式有各自特點，如表1所列。
2．2 困 境 最初，嵌入式系統都是獨立工作的。傳統的編程模式都是面向獨立的微控制器(微處理器)，操作的硬件都是本地硬件。 隨著時間的推移，嵌入式系統由獨立工作走向了網絡控制(典型的系統就是集散控制系統)，此時嵌入式系統的編程模式依然是面向獨立的微控制器(微處理器)。要把這些嵌入式系統組成網絡，需要為所有控制器增加兼容的通信接口硬件，并設計兼容的通信協議。而且，每個系統需要對硬件通信接口編程及對通信協議編程后才可能組成網絡。這個設計無疑是復雜的。 用面向寄存器的編程模式編寫聯網控制系統的步驟如圖3所示，面向API的編程模式的步驟如圖4所示。圖3、圖4的右邊是編寫控制遠程蜂鳴器鳴叫程序的步驟。至于面向端口的編程模式，目前主要是PLC，它的開發步驟比較簡單，讀者可以參考PLC的開發手冊。不過，PLC一般支持有限的遠程設備，并且成本高昂，很多時候并不適用。通過圖3和圖4可以看出，對于聯網的控制系統，這兩種編程模式的步驟基本相同。面向寄存器的編程模式開發難度很大，而面向API的編程模式相對小一些，不過任務依然艱巨。
各種編程模式的對比如表2所列。
現在，組網的范圍更加廣泛：不但需要本地組網，還需要遠程組網；不但控制設備之間需要互連，控制設備與普通計算機之間還需要互連，以及不同廠商的設備之間也要互連。這些要求無疑加劇了系統編程的復雜性。 3 面向設備的編程模式 3．1 范 例 面向設備的編程模式是由面向API的編程模式和面向端口的編程模式繼承發展而來的，具有兩者的優點，避免了各自的缺點，同時極大地增強了組網能力。
這里依然以開發控制遠程蜂鳴器的嵌入式系統為例，其開發流程如圖5所示。圖5的左邊是面向設備的編程模式，右邊是開發步驟。 通過查看遠程設備圖，得知蜂鳴器的端口地址為0x1111，寫1為鳴叫，寫0為停止鳴叫。 這種編程模式非常簡單。事實上延時功能已經定義成本地端口，真實的程序將更簡單。面向設備編程模式與傳統編程模式的對比如表3所列。
3．2 設計目標 針對目前嵌入式系統設計的困境，本文提出“面向設備的編程”這一概念。研發人員不需要考慮硬件細節和網絡細節，使用同一種方式操作本地硬件和遠程硬件。 與傳統編程模式不同，面向設備的編程模式把所有通過網絡連接的嵌入式系統和計算機作為一個整體來考慮。研發人員只需要知道設備地址和設備內端口地址的分配即可，不需要知道設備如何連接到系統，可以通過有限的幾個函數操作設備。 3．3 特 點 AnyWhere最大的特點是著眼于系統，是系統級解決方案。一個系統中的所有嵌入式設備都使用AnyWhere兼容設備，整體效果最佳。除了這個特點外，AnyWhere還有以下特點： ①使用ANSI C編程。將來可能增加編程語言支持。 ②編程接口統一。無論操作設備的什么功能，都使用有限的幾個函數操作。 ③編程不區分遠程設備和本地硬件。系統保留1個系統地址(符號為AW_LOCAL_ADDR，值為0x00000000)用于識別本地設備，用這個地址操作的就是本地設備。大多數情況下，設備也可以使用設備的真實地址來訪問本地硬件。這樣，設備可以使用同樣的接口訪問本地硬件和遠程設備。 ④多協議多網絡支持。AnyWhere默認協議計劃支持RS232、RS485、RS422、以太網、CAN、USB等網絡。AnyWhere還計劃支持 ModeBus、iCAN、CANOpen、DeviceNet、J1939、DMX512、MVB等協議。用戶還可以通過多協議接口增加特定的協議。 ⑤協議及鏈路自動動態匹配。研發人員只需要知道設備的地址就可以編程，而不需關心主控設備與被控設備之間的網絡與協議匹配問題。系統會自動選擇兩者均支持 (并且當前網絡結構支持)的協議。如果網絡結構發生變化，系統會再次主動選擇協議。這些過程都是透明的，研發人員無需關心。 ⑥提供被控設備編程接口。用戶可以通過這個接口設計特殊的被控設備。 4 基本設計思想 (1)總體設計思想 AnyWhere把所有用網絡連接起來的嵌入式系統作為一個整體來考慮。依據其在系統中的作用，把嵌入式系統分為主控設備和被控設備兩類。 主控設備通過遠程調用來控制被控設備。每當主控設備調用AnyWhere的主機接口核心函數時，對應的被控設備執行相應的函數。被控設備的函數執行完畢后，把返回值和執行結果反饋給主控設備，主控設備獲得執行結果，函數返回。 (2)基本框圖 AnyWhere的基本框圖如圖6所示。
(3)一般處理流程 為主控設備訪問遠程設備中awRead()函數的一般處理流程是：主控設備首先查找ARP表，如果ARP表中存有被控設備信息，調用被控設備函數開始執行；如果ARP表中不存在此遠程設備的情況，則需要請求添加此設備；在遠程設備添加成功后，調用被控設備函數開始執行；程序處理完成后應答返回。 5 主要的用戶編程接口 5. 1 主控設備編程接口(核心編程接口) 這是一般用戶使用的接口，也是最常用的API。這部分有4個函數，分別是awRead()、awWrite()、awReadEx()和 awWriteEx()。其中函數awRead()和awWrite()是對指定設備的指定端口用默認的模式讀寫，讀寫的數據都會轉化為32位無符號數。而awReadEx()和awWriteEx()用于對端口一次讀寫多個數據，需要指定讀寫模式，這個模式還必須與端口的模式一致。 5．2 被控設備編程接口 在設計一個控制系統時，被控設備一般會選擇標準設備，不需要用戶編程。如果使用非標準的被控設備，就需要進行產品研發。從圖6可以看出，被控設備的應用程序僅僅是初始化而已。如果用戶選擇廣州致遠電子有限公司的半成品模塊，大多數情況下也無需開發，只需通過向導(PC機程序)配置需要的功能就可以生成需要的代碼。如果這些半成品模塊不能完全滿足系統需求，就要進行研發。 來源：《單片機與嵌入式系統》 2009年9期 作者：周立功 |
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