基于ARM处理器的MVB 2类设备研究

3 系统软件设计
3.1 系统软件体系结构
MVB 2类设备软件体系采用典型的嵌入式软件体系结构，包括驱动层、操作系统层、应用软件层，其中操作系统层是软件体系的核心。系统的软件结构如图4所示。



系统软件结构各部分功能如下：
3.1.1 驱动层
驱动层是直接和硬件相联系的一层，他对操作系统和应用提供所需的驱动支持。该层主要包括3种类型的程序：板级支持BSP、系统级驱动和应用级驱动。
板级支持BSP 在用户的应用程序启动之前，完成对系统的初始化必须有专门的一段启动代码，即板级支持BSP。板级支持BSP介于物理硬件和实时操作系统之间，在系统上电后，初始化系统的硬件环境，包括初始化ARM处理器、初始化中断控制器、初始化存储器、初始化堆栈等。NucleusPlus操作系统的BSP初始化程序流程如图5所示。



系统级驱动 与系统软件相关的驱动，这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的驱动程序，他们的开发要按照系统软件的要求进行。
应用级驱动 与应用程序相关的驱动，和操作系统无关，由应用决定。
3.1.2 操作系统层
操作系统层足嵌入式软件的核心，是系统的软件支持平台。主要包括实时操作系统内核、文件系统、电源管理、嵌入式GUI系统、嵌入式网络系统。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，主要完成任务调度、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器等功能。本系统采用NucleusPlus嵌入式操作系统，能完全满足MVB对于实时性、可靠性、完整性和有效性的要求。NucleusPlus采用了软件组件的方法，每个组件具有单一而明确的目的，包括任务控制管理、内存控制管理、定时器管理、中断、系统诊断、I／O驱动管理等16个组件。
3.1.3 应用软件层
应用软件层主要由多个相对独立的应用任务组成，每个应用完成一个特定的工作，这里主要包括MVB协议栈软件。MVB协议栈软件在实时操作系统内核的支持下，通过MVB驱动模块完成MVB网络数据通信任务。用户应用可以利用MVB协议栈的接口函数访问需要的数据集，并利用收到或者发送的数据进行相应的控制或其他数据处理工作。
3.2 实时协议
每个网络都要有与之相应的网络软件在其上运行，这些软件被称为协议。在互联网上运行的协议我们称之为TCP／IP协议，在列车通信网上运行的类似TCP／IP的协议我们称之为实时协议(Real TimeProtocol，RTP)，实时协议为一个应用与另一个应用在列车通信网上的通信提供协议和服务。
实时协议分层结构如图6所示。由图中的分层结构可知MVB实时协议包括过程变量通讯和消息数据通讯两部分。由图可知变量的协议和服务包括过程数据链路层接口(LPI)和变量的应用层接口(AVI)。消息协议和服务包括消息数据链路层接口(LMI)、网络层、传送层、会话层、应用层接口(AMI)。其中链路层接口又称为低层接口，他规定来自总线的服务，应用层接口又称为高层接口，他规定提供给应用的应用层接口。



3.3 消息通信机制及其实现
MVB2类设备的主要特征是实现消息数据的发送和接收。消息通信中实时协议是由信使执行的，他是作为独立的进程与应用并行运行。实时协议的网络层、传输层、会话层、表示层是由信使来执行并实现的，信使与应用层有一个消息应用层接口(AMI)，通过这个接口应用可以调用信使的服务。同时信使与链路层也有一个接口：消息链路层接口(LMI)，链路层通过这个接口向信使提供服务。在编程实现消息通信时，只需要使用消息应用层接口。
用户开发程序来实现消息通信，就是使用消息应用层接口中的接口函数来调用信使的各项功能，实现消息通信的应用程序就是按照这个顺序编写和执行的。消息数据的实现程序的流程如图7所示。



4 结 语
使用符合TCN标准的产品是开发下一代新式列车的重要发展趋势，本文通过对IEC61375-1列车通讯网络标准的研究，提出了MVB2类设备软硬件的设计方案并完成了系统硬件各功能模块设计和上层软件的部分设计，对MVB实时协议RTP和消息通信的机制也做了深入的研究，并给出了消息通信的编程实现方法。通过对基于ARM处理器的MVB 2类设备的深入研究和功能设计实现，不但为以后开发更高类别的MVB设备积累了经验，而且为进一步自主开发其他符合TCN标准的MVB产品提供了借鉴。