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 圖2 串口程序設(shè)計(jì)示意圖

    應(yīng)用程序創(chuàng)建了輸出與輸入兩個(gè)子線程共同完成通信任務(wù)。而又由于串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是相對(duì)獨(dú)立的，故可將其分開(kāi)，設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)是發(fā)送緩沖區(qū)m_TxQueue，另一個(gè)是接收緩沖區(qū)m_RxQueue，并為每個(gè)緩沖區(qū)分別設(shè)置兩個(gè)指針，一個(gè)指向輸出線程將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個(gè)指向輸入線程將要從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的起始位置。這種方式稱之為采用雙緩沖隊(duì)列的方法，保證了無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)的順序操作。

    3.1 多線程的設(shè)計(jì)

    線程是進(jìn)程內(nèi)的一條執(zhí)行路徑.它包含獨(dú)立的堆棧和CPU寄存器。每個(gè)線程共享所有的進(jìn)程資源，包括打開(kāi)的文件、信號(hào)標(biāo)識(shí)及動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存等等。一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的所有線程使用同一個(gè)32位地址空間，而這些線程的執(zhí)行由系統(tǒng)調(diào)度程序控制，調(diào)度程序決定哪個(gè)線程可執(zhí)行和什么時(shí)候執(zhí)行線程。線程有優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先權(quán)較低的線程必須等到優(yōu)先權(quán)較高的線程執(zhí)行完仃務(wù)后再執(zhí)行。在VC++6.0中的MFC應(yīng)用程序的線程是由CwinThread對(duì)象來(lái)表示，該線程分:：用戶界面線程（GUI-Thread）和工作者線程（Worker-Thread）。用戶界面線程能夠提供界面和用戶交互，用于處理用戶輸入和響應(yīng)各種信息和事件；工作者線程沒(méi)有消息循環(huán)，主要用來(lái)處理應(yīng)用程序的后臺(tái)任務(wù)。本文所采用的串口操作線程即為工作者線程。程序通過(guò)調(diào)用AfxBejinThread()函數(shù)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)CwinThread對(duì)象，通過(guò)響應(yīng)己設(shè)置好的一組事件句柄來(lái)啟動(dòng)一個(gè)線程的執(zhí)行。

    3.1.1 輸出線程

    輸出線程比較簡(jiǎn)單，它只為串口的寫(xiě)操作創(chuàng)建一個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，并設(shè)置一組事件的句柄。它可響應(yīng)的事件有刪除線程事件、寫(xiě)請(qǐng)求事件及中斷請(qǐng)求事件，然后線程進(jìn)入主循環(huán)，等待三個(gè)事件之一的發(fā)生，以便采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。例如當(dāng)檢測(cè)到寫(xiě)請(qǐng)求事件時(shí)，表明輸出緩沖區(qū)內(nèi)有一些數(shù)據(jù)等待發(fā)送，輸出線程便會(huì)試圖發(fā)送傳送隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)。在寫(xiě)操作進(jìn)行時(shí)，如果端口比較忙就會(huì)進(jìn)入重疊模式。此時(shí)WriteFile( )返回FALSE，用GetLastError( )可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前錯(cuò)誤是ERROR_ IO_ PENDING，意味著重疊I/O操作已經(jīng)開(kāi)始了。若是刪除線程消息到來(lái)，輸出線程將跳出循環(huán)，關(guān)閉事件句柄，最后結(jié)束線程。

    3.1.2輸入線程

    輸入線程較為復(fù)雜一些，它既要處理串口數(shù)據(jù)的讀操作，又要處理串口狀態(tài)的讀取。而且由于輸入的數(shù)據(jù)是隨機(jī)到達(dá)的，所以輸入線程必須一直讀。輸入線程首先要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，用于讀數(shù)據(jù)和獲得通信事件，并為它們分別創(chuàng)建兩個(gè)事件。然后輸入線程要響應(yīng)四個(gè)需要監(jiān)視的事件:刪除線程事件、讀信息事件、狀態(tài)信息事件和讀請(qǐng)求事件設(shè)置事件句柄。接著輸入線程便進(jìn)入主循環(huán)，直到刪除線程的消息到來(lái)才退出。只要輸入緩沖區(qū)有空間可用，輸入線程就會(huì)一直讀發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。與輸出一樣，如果讀操作失敗了，而且返回的錯(cuò)誤代碼是ERROR_ IO_ PENDING，意味著還在進(jìn)行讀的重疊操作。輸入線程在等待數(shù)據(jù)輸入的同時(shí)，也在等待傳入的事件。在輸入線程里可以用SetCommMask( )函數(shù)建立事件掩模來(lái)監(jiān)視特定通信資源上的事件。如圖：

圖3 輸入線程示意圖

    在應(yīng)用程序中，輸出線程只是簡(jiǎn)單的一直調(diào)用WaitForMu1tip1e0bject()等待事件的發(fā)生，并以一個(gè)Switch Case語(yǔ)句為每個(gè)已發(fā)生事件提供處理方案。輸入線程的工作繁重許多，它分別調(diào)用ReadFile（）和WaitCommEvent( )接收數(shù)據(jù)和通信狀態(tài)。如果接收到的是數(shù)據(jù)，輸入線程將它保存到指定位置。如果是通信狀態(tài)，輸入線程將它交給其它函數(shù)判斷狀態(tài)內(nèi)容，指引程序下一步的活動(dòng)。ReadFile()和WaitCommEvent ()都是在重疊模式下工作，其步驟與輸出線程相同。

    3.1.3 線程同步
   
    在串口通信程序中，輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)能夠被多個(gè)線程訪問(wèn)。它們用于在程序的主線程和輸入、輸出線程之間傳送數(shù)據(jù)塊。當(dāng)端口上出現(xiàn)一些操作時(shí)，主線程和輸入、輸出線程會(huì)經(jīng)常訪問(wèn)這兩個(gè)對(duì)象。如果兩個(gè)線程同時(shí)處理緩沖區(qū)，就會(huì)產(chǎn)生不正確的數(shù)據(jù)，這就破壞了數(shù)據(jù)的完整性。C++提供了信號(hào)量( Semaphore)、互斥對(duì)象(Mutex)、臨界區(qū)(Critical Section)等手段來(lái)保護(hù)這些數(shù)據(jù)對(duì)象，防止兩個(gè)線程在同一時(shí)間訪問(wèn)同一數(shù)據(jù)。保持在同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程工作協(xié)調(diào)一致（線程同步）。其中，臨界區(qū)是一種保證在一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線程訪問(wèn)數(shù)據(jù)集的非常簡(jiǎn)單的方法。當(dāng)你使用臨界區(qū)，你就給了線程一個(gè)它們必須共享的對(duì)象。任何擁有臨界區(qū)對(duì)象的線程可以訪問(wèn)被保護(hù)起來(lái)的數(shù)據(jù)，其它線程必須等待直到第一個(gè)線程釋放了臨界區(qū)對(duì)象。此后其它線程可以按照順序搶占臨界區(qū)對(duì)象，訪問(wèn)數(shù)據(jù)。因?yàn)榫€程只有擁有臨界區(qū)對(duì)象才能訪問(wèn)數(shù)據(jù)，而且在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程可以擁有臨界區(qū)對(duì)象，所以決不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)刻有多個(gè)線程訪問(wèn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

    考慮到本文所設(shè)計(jì)的通信緩沖區(qū)既不允許多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)，又不必供其它進(jìn)程的線程訪問(wèn)。因此，臨界區(qū)是串口通信程序多線程同步最有效的辦法。  
  
    3.2 雙緩沖隊(duì)列的設(shè)計(jì)
   
    為了提高效率，本文把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)C＋＋庫(kù)中的deque<char>對(duì)象中，它作為一種優(yōu)化的存儲(chǔ)容器支持元素的添加和刪除。它能高效地插入未知數(shù)量的對(duì)象，并且插入和刪除元素時(shí)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)很小。根據(jù)需要，本文創(chuàng)建了兩個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)對(duì)象，一個(gè)是發(fā)送緩沖區(qū)m_TxQueue，另一個(gè)是接收緩沖區(qū)m_RxQueue，并將它們置于臨界區(qū)的保護(hù)下，就能確保一次只有一個(gè)線程處理緩沖區(qū)。本文所設(shè)計(jì)的類(lèi)MThreadDeque提供了對(duì)緩沖區(qū)的各種操作，如Extract（），Clear（），Insert（）等，每種操作開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)候都要調(diào)用::EnterCriticalSection( &m_Lock )和::LeaveCriticalSection( &m_Lock )，關(guān)鍵代碼如下：

class MThreadDeque
{
protected :
    const m_iMaxSize;
    deque<char> m_Queue;
    CRITICAL_SECTION m_Lock;
public :
    MThreadDeque( int max_size ) : m_iMaxSize( max_size )
    {
        ::InitializeCriticalSection( &m_Lock );
    }   
    ~ MThreadDeque ()
    {
        ::DeleteCriticalSection( &m_Lock );
    }      
    int Insert( char c )
    {
        int return_value;
        ::EnterCriticalSection( &m_Lock );
        if ( m_Queue.size() < m_iMaxSize ) {
            m_Queue.push_back( c );
            return_value = c & 0xff;
        } else
            return_value = -1;
        ::LeaveCriticalSection( &m_Lock );
        return return_value;
    }
       ……
};
  
    3.3 網(wǎng)絡(luò)通信部分的設(shè)計(jì)

    當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，不適合人為操作時(shí)，將硬件采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理是十分有必要的。Socket套接字是目前最流行的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序接口之一，利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)的傳輸，是開(kāi)發(fā)客戶機(jī)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的重要方法。當(dāng)向一個(gè)套接字寫(xiě)入時(shí)，所送數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在套接宇的另一端，另一端可能是相同機(jī)器上運(yùn)行的另一個(gè)進(jìn)程，也可能是世界上任何地方互連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)。TCP/IP傳輸層有兩個(gè)并列的協(xié)議:T C P ( Transport Contro1 Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)其中TCP是面向連接的，UDP是無(wú)連接的，Socket同時(shí)支持這兩種通信模式，所對(duì)應(yīng)的Socket分別為數(shù)據(jù)流Socket和數(shù)據(jù)報(bào)Socket。數(shù)抓流Socket定義了一種可靠的面向連接的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)報(bào)Socket定義了一個(gè)無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的包進(jìn)行傳輸，包的傳輸是無(wú)序，并且不保證是否出錯(cuò)、丟失和重復(fù)。本文采用了流式Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，工作過(guò)程如圖4所示。
 

 圖4 Socket通信流程圖