[连载]《C#通讯（串口和网络）框架的设计与实现》-6.通讯控制器的设计

2019-11-14 13:44:45

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供稿：网友

第六章通讯控制器的设计... 2

6.1 控制器接口... 2

6.2 串口控制器... 3

6.3 网络控制器... 5

6.4 通讯控制管理器... 9

6.5 远程交互... 9

6.6 小结... 10

第六章通讯控制器的设计

经过前几章的介绍，这章介绍通讯控制器。主要负责对设备驱动（IRunDevice）、IO通道（IIOChannel）进行协调、调度、以及事件做出响应，在此基础上实现轮询通讯模式、并发通讯模式和自控通讯模式的任务调度。由于串口和网络硬件链路特性的原因以及通讯机制不一样，所以通讯控制器的实现上也有很大差别。

6.1 控制器接口

控制器内置一个线程负责对设备驱动和IO实例进行任务协调、调度，相当于在《第4章设备管理器的设计》、《第5章串口和网络的IO设计》实现的基础上构建了一个更高层次的协调机制，并实现设备与IO的匹配、不同的通讯机制。

不管串口通讯控制器和网络通讯控制器如何实现，都会继承自统一的（IIOController）接口，接口定义的代码如下：

public interface IIOController{       /// <summary>       /// 当然是否工作       /// </summary>       bool IsWorked { set; get; }       /// <summary>       /// IO控制器的关键字。       /// </summary>       string Key { get; }       /// <summary>       /// 启动服务       /// </summary>       void StartService();       /// <summary>       /// 停止服务       /// </summary>       void StopService();       /// <summary>       /// IO控制器类型       /// </summary>       CommunicationType ControllerType { get; }}

控制层次结构图如下：

6.2 串口控制器

每个（硬件）串口都对应一个串口控制器，每个串口控制器里都会有一个独立的线程，也就是说用到多少个串口号就会有多少个控制器和线程。框架平台可能会挂载多个设备驱动（插件），有可能一个设备驱动对应一个串口，也可能几个设备驱动共用一个串口，那么也就是说串口控制器和设备驱动之间存在1对1或1对N的关系。结构示意图如下：

一个串口控制器内的所有设备设置的串口通讯参数都是一样的，所以设备驱动（IRunDevice）接口的COM中的Port属性、IO接口（IIOChannel）的Key属性、以及串口控制器（IIOController）接口Key属性是一致的，都用于标识串口号。既然一个串口控制器中的所有设备都共用一个硬件串口，就决定了所有设备驱动之间的任务调度只能采用轮询模式，一个设备发送和接收操作完之后，再调度下一个设备驱动，设备驱动之间就是串行工作模式，避免一个串口控制器内多个设备驱动同时操作串口IO导致数据混乱，影响正常通讯。

一个串口控制器内的设备驱动是串行工作模式，如果把所有设备驱动都设置成一个串口号，在一个串口控制器下串行调度，那么就会影响设备驱动的通讯效率，某个设备的调度周期的公式如下：

某个设备调度周期=（串口控制器所有设备数-1）* 单个设备驱动执行耗时

这仅是一个理论值，实际应用中要比这个理论值要大，因为涉及到不类型的设备驱动共用一个串口号，在一个串口控制器下工作，处理的数据流程、方式不同，例如：有可能数据保存在TXT文件中、有可能保存在SQL数据库中、有可能保存在NoSQL数据库中等等。

有人会想，岂不是在一个串口下挂载的设备越多效率越低，的确是这样的。但是，多个串口控制器之间是并行工作模式。如果现场环境对通讯效率有要求的话，可以增加串口服务器，也就是增加可用的串口硬件电路，把N个设备驱动平衡负载到不同的串口上，增加并行运行的串口控制器的节点，进而提高框架平台的运行效率。

但是，这样解决之后也带来一定的风险和瓶颈，就是对于数据的存储，如果多个并行的数据流同时向一个单线程的存储介质写数据，那么又会造成互斥的现象，甚至造成意想不到的结果或异常，如下图：

如果同时向Sql Server、Oracle、MySQL等数据库存储数据，那么是没有问题的；如果采用文本文件、桌面数据库等存储数据，那么可能存在问题，可以分多个文件进行保存操作。DCS系统大多采用PI（Plant Information System）数据库。总之，作为一个系统来讲，需要整体设计、考虑，这块需要特别注意。

6.3 网络控制器

框架平台只有一个网络控制器，网络控制器内有一个独立的线程负责对所有网络设备驱动进行轮询、并发、自控模式通讯调度。轮询通讯模式与串口控制器类似，只是串行的调度所有网络设备驱动，但是框架只有一个网络控制器，不能通过增加网络控制器来提高通讯效率，这种模式是网络通讯调度鸡肋；并发通讯模式，线程会通过控制器中的线程集中发送所有设备的请求命令数据，接收数据是通过IO异步监听来完成，异步接收到数据后再把数据分发到设备驱动的RunIODevice接口，进行数据处理；自控通讯模式，发送命令数据的职能移交给了设备驱动本身，可以通过定时器来完成发送命令数据的功能，线程不再负责发送命令数据，接收数据与并发通讯模式一样。网络控制器的内部示意图如下：

针对网络通讯，轮询通讯模式是不能发挥其优势的，所以增加了并发通讯模式和自控通讯模式。后两种通讯模式会用到《第4章设备驱动管理器的设计》的“4.6 设备计数器的特殊用处”的设计，设备驱动计数器如果大于等于某个值的时候，就会通过RunIODevice(new byte[]{})驱动当前设备，执行整个设备处理流程，以改变设备驱动的运行状态，实际上当前设备驱动处于“通讯中断”状态。

发送数据代码如下：

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, "发送请求数据");              Interlocked.Increment(ref counter);       }       else       {              Interlocked.Increment(ref counter);              DeviceMonitorLog.WriteLog(dev.DeviceParameter.DeviceName, "尝试发送数据失败");       }       dev.ShowMonitorIOData(data, "发送");       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);}

异步接收、分数据的代码如下：

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 通讯控制管理器

通讯控制管理器负责对串口控制器和网络控制器进行管理，实际上是对Dictionary<Key,Value>进行的封装，所有涉及到操作控制器的地方都是通过控制管理器来完成的。IIOControllerManager<TKey, TValue>通讯控制管理器的接口定义如下：

6.5 远程交互

在了解串口控制器和网络控制器的基本原理和功能后，还要考虑到一个应用场景：控制器不仅仅要与硬件进行数据交互，还有可能要把采集上来的数据转发到其他服务器或节点上，也就是框架平台要具备路由的功能，整合设备驱动采集上来的数据，进行打包、转发。

从这个应用场景来看，在开发设备驱动的时候，不适合在设备驱动的处理流程中进行转发、多业务处理，受环境、网络、业务复杂度的影响可能会阻塞控制器的调度，影响框架的整体运行效率。

在物联网建设中，多级互联、逐层转发是很常见技术需求。为了解决这个现实问题，框架平台提供了IAppService应用服务接口，二次开发者可以把设备驱动中的数据信息封装后传入到IAppService接口中，可以在这里实现缓存、转发等具体的业务服务。这样设计的主要目的是不影响框架平台实时的数据采集，保证数据源的稳定性。

IAppService具体的设计和应用将来《第7章外部接口的设计》中进行详细介绍。