[連載]《C#通訊（串口和網絡）框架的設計與實現》-6.通訊控制器的設計

2019-11-14 13:44:45

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第六章通訊控制器的設計... 2

6.1 控制器接口... 2

6.2 串口控制器... 3

6.3 網絡控制器... 5

6.4 通訊控制管理器... 9

6.5 遠程交互... 9

6.6 小結... 10

第六章通訊控制器的設計

經過前幾章的介紹，這章介紹通訊控制器。主要負責對設備驅動（IRunDevice）、IO通道（IIOChannel）進行協調、調度、以及事件做出響應，在此基礎上實現輪詢通訊模式、并發通訊模式和自控通訊模式的任務調度。由于串口和網絡硬件鏈路特性的原因以及通訊機制不一樣，所以通訊控制器的實現上也有很大差別。

6.1 控制器接口

控制器內置一個線程負責對設備驅動和IO實例進行任務協調、調度，相當于在《第4章設備管理器的設計》、《第5章串口和網絡的IO設計》實現的基礎上構建了一個更高層次的協調機制，并實現設備與IO的匹配、不同的通訊機制。

不管串口通訊控制器和網絡通訊控制器如何實現，都會繼承自統一的（IIOController）接口，接口定義的代碼如下：

public interface IIOController{       /// <summary>       /// 當然是否工作       /// </summary>       bool IsWorked { set; get; }       /// <summary>       /// IO控制器的關鍵字。       /// </summary>       string Key { get; }       /// <summary>       /// 啟動服務       /// </summary>       void StartService();       /// <summary>       /// 停止服務       /// </summary>       void StopService();       /// <summary>       /// IO控制器類型       /// </summary>       CommunicationType ControllerType { get; }}

控制層次結構圖如下：

6.2 串口控制器

每個（硬件）串口都對應一個串口控制器，每個串口控制器里都會有一個獨立的線程，也就是說用到多少個串口號就會有多少個控制器和線程。框架平臺可能會掛載多個設備驅動（插件），有可能一個設備驅動對應一個串口，也可能幾個設備驅動共用一個串口，那么也就是說串口控制器和設備驅動之間存在1對1或1對N的關系。結構示意圖如下：

一個串口控制器內的所有設備設置的串口通訊參數都是一樣的，所以設備驅動（IRunDevice）接口的COM中的Port屬性、IO接口（IIOChannel）的Key屬性、以及串口控制器（IIOController）接口Key屬性是一致的，都用于標識串口號。既然一個串口控制器中的所有設備都共用一個硬件串口，就決定了所有設備驅動之間的任務調度只能采用輪詢模式，一個設備發送和接收操作完之后，再調度下一個設備驅動，設備驅動之間就是串行工作模式，避免一個串口控制器內多個設備驅動同時操作串口IO導致數據混亂，影響正常通訊。

一個串口控制器內的設備驅動是串行工作模式，如果把所有設備驅動都設置成一個串口號，在一個串口控制器下串行調度，那么就會影響設備驅動的通訊效率，某個設備的調度周期的公式如下：

某個設備調度周期=（串口控制器所有設備數-1）* 單個設備驅動執行耗時

這僅是一個理論值，實際應用中要比這個理論值要大，因為涉及到不類型的設備驅動共用一個串口號，在一個串口控制器下工作，處理的數據流程、方式不同，例如：有可能數據保存在TXT文件中、有可能保存在SQL數據庫中、有可能保存在NoSQL數據庫中等等。

有人會想，豈不是在一個串口下掛載的設備越多效率越低，的確是這樣的。但是，多個串口控制器之間是并行工作模式。如果現場環境對通訊效率有要求的話，可以增加串口服務器，也就是增加可用的串口硬件電路，把N個設備驅動平衡負載到不同的串口上，增加并行運行的串口控制器的節點，進而提高框架平臺的運行效率。

但是，這樣解決之后也帶來一定的風險和瓶頸，就是對于數據的存儲，如果多個并行的數據流同時向一個單線程的存儲介質寫數據，那么又會造成互斥的現象，甚至造成意想不到的結果或異常，如下圖：

如果同時向Sql Server、Oracle、MySQL等數據庫存儲數據，那么是沒有問題的；如果采用文本文件、桌面數據庫等存儲數據，那么可能存在問題，可以分多個文件進行保存操作。DCS系統大多采用PI（Plant Information System）數據庫。總之，作為一個系統來講，需要整體設計、考慮，這塊需要特別注意。

6.3 網絡控制器

框架平臺只有一個網絡控制器，網絡控制器內有一個獨立的線程負責對所有網絡設備驅動進行輪詢、并發、自控模式通訊調度。輪詢通訊模式與串口控制器類似，只是串行的調度所有網絡設備驅動，但是框架只有一個網絡控制器，不能通過增加網絡控制器來提高通訊效率，這種模式是網絡通訊調度雞肋；并發通訊模式，線程會通過控制器中的線程集中發送所有設備的請求命令數據，接收數據是通過IO異步監聽來完成，異步接收到數據后再把數據分發到設備驅動的RunIODevice接口，進行數據處理；自控通訊模式，發送命令數據的職能移交給了設備驅動本身，可以通過定時器來完成發送命令數據的功能，線程不再負責發送命令數據，接收數據與并發通訊模式一樣。網絡控制器的內部示意圖如下：

針對網絡通訊，輪詢通訊模式是不能發揮其優勢的，所以增加了并發通訊模式和自控通訊模式。后兩種通訊模式會用到《第4章設備驅動管理器的設計》的“4.6 設備計數器的特殊用處”的設計，設備驅動計數器如果大于等于某個值的時候，就會通過RunIODevice(new byte[]{})驅動當前設備，執行整個設備處理流程，以改變設備驅動的運行狀態，實際上當前設備驅動處于“通訊中斷”狀態。

發送數據代碼如下：

public void ControllerSend(IRunDevice dev, byte[] data){       int counter = DeviceManager.GetInstance().GetCounter(dev.DeviceParameter.DeviceID.ToString());       int sendNum = sessionSocketManager.GetInstance().Send(dev.DeviceParameter.NET.Remoteip, data);       if (sendNum == data.Length && sendNum != 0)       {              DeviceMonitorLog.WriteLog(dev.DeviceParameter.DeviceName, "發送請求數據");              Interlocked.Increment(ref counter);       }       else       {              Interlocked.Increment(ref counter);              DeviceMonitorLog.WriteLog(dev.DeviceParameter.DeviceName, "嘗試發送數據失敗");       }       dev.ShowMonitorIOData(data, "發送");       if (counter >= 3)       {              try              {                     dev.RunIODevice(new byte[] { });              }              catch (Exception ex)              {                     DeviceMonitorLog.WriteLog(dev.DeviceParameter.DeviceName, ex.Message);                     GeneralLog.WriteLog(ex);              }              Interlocked.Exchange(ref counter, 0);       }       DeviceManager.GetInstance().SetCounter(dev.DeviceParameter.DeviceID.ToString(), counter);}

異步接收、分數據的代碼如下：

PRivate void NETDeviceController_ReceiveSocketData(object source, ReceiveSocketDataArgs e){       if (GlobalProperty.GetInstance().ControlMode == ControlMode.Parallel || GlobalProperty.GetInstance().ControlMode == ControlMode.Self)       {              int counter = 0;              IRunDevice dev = null;              IRunDevice[] list = DeviceManager.GetInstance().GetDevices(e.RemoteIP, CommunicationType.NET);              for (int i = 0; i < list.Length; i++)              {                     dev = list[i];                     if (String.CompareOrdinal(dev.DeviceParameter.NET.RemoteIP, e.RemoteIP) == 0)                     {                            dev.ShowMonitorIOData(e.ReceiveData, "接收");                            dev.AsyncRunIODevice(e.ReceiveData);                            counter = DeviceManager.GetInstance().GetCounter(dev.DeviceParameter.DeviceID.ToString());                            Interlocked.Decrement(ref counter);                            if (counter < 0)                            {                                   Interlocked.Exchange(ref counter, 0);                            }                  DeviceManager.GetInstance().SetCounter(dev.DeviceParameter.DeviceID.ToString(), counter);                     }              }       }}

6.4 通訊控制管理器

通訊控制管理器負責對串口控制器和網絡控制器進行管理，實際上是對Dictionary<Key,Value>進行的封裝，所有涉及到操作控制器的地方都是通過控制管理器來完成的。IIOControllerManager<TKey, TValue>通訊控制管理器的接口定義如下：

6.5 遠程交互

在了解串口控制器和網絡控制器的基本原理和功能后，還要考慮到一個應用場景：控制器不僅僅要與硬件進行數據交互，還有可能要把采集上來的數據轉發到其他服務器或節點上，也就是框架平臺要具備路由的功能，整合設備驅動采集上來的數據，進行打包、轉發。

從這個應用場景來看，在開發設備驅動的時候，不適合在設備驅動的處理流程中進行轉發、多業務處理，受環境、網絡、業務復雜度的影響可能會阻塞控制器的調度，影響框架的整體運行效率。

在物聯網建設中，多級互聯、逐層轉發是很常見技術需求。為了解決這個現實問題，框架平臺提供了IAppService應用服務接口，二次開發者可以把設備驅動中的數據信息封裝后傳入到IAppService接口中，可以在這里實現緩存、轉發等具體的業務服務。這樣設計的主要目的是不影響框架平臺實時的數據采集，保證數據源的穩定性。

IAppService具體的設計和應用將來《第7章外部接口的設計》中進行詳細介紹。