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以太网全双工通信的异步模型：基于队列、信号量与任务的收 / 发包标准实现

news 2025/9/27 19:40:53

以下是参考一些例子用AI做的总结，做简单的参考：

在嵌入式以太网应用中，全双工通信（同时收发数据）的高效性与稳定性是核心需求。采用 “队列 + 信号量 + 多任务” 的异步架构，可实现接收、发送流程的解耦，避免 CPU 资源冲突、CPU 空耗及实时性不足等问题。本文以以太网全双工通信为场景，结合 RTOS（uC/OS-III 为例）详细阐述收包、发包的标准实现，包括组件设计、任务划分及代码逻辑，提供可复用的工程模型。

一、全双工异步通信的核心设计逻辑

以太网全双工通信中，接收（从网络获取数据）与发送（向网络传输数据）是独立流程，但需共享硬件资源（如 MAC 控制器）和系统资源（如 CPU）。同步处理（如在中断中直接处理数据或单任务轮询）会导致三类问题：

  1. 实时性冲突：收包中断被长耗时的发送操作阻塞，导致数据溢出；
  2. 资源浪费：单任务轮询收发状态，无数据时仍占用 CPU；
  3. 逻辑混乱：收发流程耦合，难以维护和扩展（如增加协议解析模块）。

异步模型通过 “分层隔离” 解决上述问题，核心逻辑为：

  • 硬件交互层：中断服务程序（ISR）处理底层数据读写，仅做 “数据搬运”；
  • 缓冲层：用独立队列分别缓存收 / 发数据，隔离速率差异；
  • 调度层：用信号量触发收 / 发任务，实现 “有数据才处理”；
  • 业务层：收 / 发任务分别处理协议解析、数据生产，与硬件解耦。

二、组件数量与功能定义

全双工模型需严格区分接收与发送通道，避免组件复用导致的优先级混乱，具体定义如下：

组件类型数量核心功能设计依据
消息队列2 个1 个收包队列（存储接收到的以太网帧）+ 1 个发包队列（存储待发送的以太网帧）独立队列确保收发流程隔离，避免数据混叠；队列深度根据带宽需求配置（如各 10~20 项）。
二进制信号量2 个1 个收包信号量（收队列有数据时唤醒收包任务）+ 1 个发包信号量（发队列有数据时唤醒发送任务）二进制信号量仅标识 “有无数据”，避免计数溢出；初始值均为 0（无数据时阻塞任务）。
任务3 + 个1 个收包任务（处理接收数据）+ 1 个发包任务（处理发送数据）+ N 个业务任务（生产 / 消费数据，N≥1）收 / 发任务独立运行，优先级高于业务任务但低于硬件中断，确保实时性；业务任务数量根据功能模块划分（如传感器采集、协议解析）。

三、标准实现流程（以 uC/OS-III 为例）

1. 数据结构定义（统一收发格式）

定义以太网帧通用结构，包含硬件交互所需的元信息，收 / 发任务共用该结构：

#include "os.h"
#include "enet.h"  // 硬件层：MAC/PHY驱动接口（如ENET_Init、ENET_Send、ENET_Recv）// 以太网帧结构体（兼容IEEE 802.3标准）
typedef struct {uint8_t  *buf;        // 帧数据缓冲区（包含MAC头、 payload、FCS）uint32_t len;         // 帧长度（64~1518字节，符合以太网规范）uint8_t  port;        // 接收/发送端口（多端口场景用，单端口可省略）bool     is_dynamic;  // 标记缓冲区是否动态分配（用于释放内存）
} EthFrame_t;// 接收通道组件
#define ETH_RX_QUEUE_DEPTH 10
OS_Q      g_eth_rx_queue;   // 收包队列
OS_SEM    g_eth_rx_sem;     // 收包信号量（初始0）
OS_TCB    g_eth_rx_task_tcb;
CPU_STK   g_eth_rx_task_stack[1024];// 发送通道组件
#define ETH_TX_QUEUE_DEPTH 10
OS_Q      g_eth_tx_queue;   // 发包队列
OS_SEM    g_eth_tx_sem;     // 发包信号量（初始0）
OS_TCB    g_eth_tx_task_tcb;
CPU_STK   g_eth_tx_task_stack[1024];// 业务层示例：协议解析任务（消费收包数据）
OS_TCB    g_proto_parse_task_tcb;
CPU_STK   g_proto_parse_task_stack[1024];

2. 组件初始化（系统启动阶段）

初始化需在 RTOS 调度器启动前完成，确保所有队列、信号量、任务处于可用状态：

/*** @brief 以太网全双工组件初始化* @return OS_ERR：初始化结果（OS_ERR_NONE为成功）*/
OS_ERR eth_full_duplex_init(void) {OS_ERR err;// 1. 初始化接收队列与信号量OSQCreate(&g_eth_rx_queue, "ETH_RX_QUEUE", ETH_RX_QUEUE_DEPTH, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;OSSemCreate(&g_eth_rx_sem, "ETH_RX_SEM", 0, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;// 2. 初始化发送队列与信号量OSQCreate(&g_eth_tx_queue, "ETH_TX_QUEUE", ETH_TX_QUEUE_DEPTH, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;OSSemCreate(&g_eth_tx_sem, "ETH_TX_SEM", 0, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;// 3. 创建收包任务（优先级高于业务任务，低于中断）OSTaskCreate(&g_eth_rx_task_tcb, "ETH_RX_TASK", eth_rx_task, NULL,7,  // 收包任务优先级（高于发任务，避免漏包）&g_eth_rx_task_stack[0], g_eth_rx_task_stack[1024/10], 1024,0, 0, NULL, OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;// 4. 创建发包任务OSTaskCreate(&g_eth_tx_task_tcb, "ETH_TX_TASK", eth_tx_task, NULL,8,  // 发任务优先级低于收任务&g_eth_tx_task_stack[0], g_eth_tx_task_stack[1024/10], 1024,0, 0, NULL, OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR, &err);if (err != OS_ERR_NONE) return err;// 5. 创建业务任务（示例：协议解析）OSTaskCreate(&g_proto_parse_task_tcb, "PROTO_PARSE_TASK", proto_parse_task, NULL,9,  // 业务任务优先级最低&g_proto_parse_task_stack[0], g_proto_parse_task_stack[1024/10], 1024,0, 0, NULL, OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR, &err);// 6. 初始化以太网硬件（使能中断，配置全双工模式）ENET_InitTypeDef enet_cfg = {.mode = ENET_MODE_FULL_DUPLEX,.speed = ENET_SPEED_100M,.rx_buf_size = 1536,  // 大于最大帧长1518.tx_buf_size = 1536};ENET_Init(&enet_cfg);ENET_EnableIrq(ENET_IRQ_RX | ENET_IRQ_TX);  // 使能收/发中断return err;
}

3. 收包流程实现（从硬件到业务层）

收包流程由 “中断服务程序（ISR）→ 收包队列 → 收包任务 → 业务任务” 组成，核心是快速响应中断、避免阻塞。

（1）收包中断服务程序（ISR）

ISR 仅负责将硬件数据搬运到内存并触发任务，不做复杂处理：

/*** @brief 以太网接收中断服务程序*/
void ENET_RX_IRQHandler(void) {OS_ERR err;EthFrame_t *frame;// 1. 清除中断标志（硬件必需步骤）ENET_ClearIrqFlag(ENET_IRQ_FLAG_RX);// 2. 从硬件FIFO读取帧（ENET_Recv返回true表示成功）uint8_t *rx_buf = ENET_GetRxBuffer();  // 获取预分配的接收缓冲区uint32_t rx_len = 0;if (!ENET_Recv(rx_buf, &rx_len)) {OSIntExit();  // 无有效帧，退出中断return;}// 3. 封装帧数据到EthFrame_t结构体（用动态内存避免栈溢出）frame = (EthFrame_t *)OSMemAllocISR(sizeof(EthFrame_t), &err);if (err != OS_ERR_NONE) {ENET_ReleaseRxBuffer(rx_buf);  // 释放缓冲区OSIntExit();return;}frame->buf = rx_buf;frame->len = rx_len;frame->port = 0;  // 单端口frame->is_dynamic = false;  // 缓冲区为预分配，不释放// 4. 将帧送入收包队列（中断中必须用FromISR接口）OSQPostFromISR(&g_eth_rx_queue, (void *)frame, sizeof(EthFrame_t *),OS_OPT_POST_FIFO, &err);if (err == OS_ERR_NONE) {// 5. 释放收包信号量，唤醒收包任务OSSemPostFromISR(&g_eth_rx_sem, OS_OPT_POST_1, &err);} else {// 队列满：释放帧和缓冲区（避免内存泄漏）OSMemFreeISR(frame, &err);ENET_ReleaseRxBuffer(rx_buf);}// 6. 触发任务调度（切换到收包任务）OSIntExit();
}
（2）收包任务（处理接收数据并转发给业务层）

收包任务从队列取数据，完成初步处理（如校验、过滤）后，转发给业务任务：

/*** @brief 收包任务：处理接收帧并转发给业务层*/
void eth_rx_task(void *p_arg) {OS_ERR err;OS_MSG_SIZE msg_size;EthFrame_t *frame;while (1) {// 1. 阻塞等待收包信号量OSSemPend(&g_eth_rx_sem, 0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, NULL, &err);if (err != OS_ERR_NONE) continue;// 2. 从收包队列取帧frame = (EthFrame_t *)OSQPostGet(&g_eth_rx_queue, &msg_size, &err);if (err != OS_ERR_NONE || frame == NULL) continue;// 3. 初步处理：校验帧长度、过滤无效帧（如广播帧按需处理）if (frame->len < 64 || frame->len > 1518) {ENET_ReleaseRxBuffer(frame->buf);  // 释放预分配缓冲区continue;}// 4. 转发给业务任务（示例：发送到协议解析任务的队列，此处简化为直接调用）proto_parse_input(frame);  // 业务层入口函数// 5. 检查队列剩余数据，有则再次触发信号量if (OSQEntries(&g_eth_rx_queue, &err) > 0) {OSSemPost(&g_eth_rx_sem, OS_OPT_POST_1, &err);}}
}
（3）业务任务（协议解析示例）

业务任务消费收包数据，实现具体功能（如解析 TCP/UDP 协议）：

/*** @brief 协议解析任务：处理接收的以太网帧*/
void proto_parse_task(void *p_arg) {OS_ERR err;// （实际场景需创建业务队列，接收收包任务转发的数据）while (1) {// 模拟处理：从收包任务获取数据并解析// ...（协议解析逻辑，如提取IP地址、端口、payload）OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 10, OS_OPT_TIME_PERIODIC, &err);  // 周期处理}
}/*** @brief 收包任务向业务层输入数据的接口*/
void proto_parse_input(EthFrame_t *frame) {// 示例：打印帧信息（实际需根据协议解析）APP_TRACE_INFO(("Received frame: len=%d, first 4 bytes: 0x%02X%02X%02X%02X\n",frame->len, frame->buf[0], frame->buf[1], frame->buf[2], frame->buf[3]));// 处理完成后释放缓冲区（预分配模式下归还硬件）ENET_ReleaseRxBuffer(frame->buf);
}

4. 发包流程实现（从业务层到硬件）

发包流程由 “业务任务→发包队列→发包任务→硬件发送” 组成，核心是确保数据有序发送、避免硬件冲突。

（1）业务任务（生产待发送数据）

业务任务生成数据并封装为以太网帧，送入发包队列：

/*** @brief 业务任务示例：生成传感器数据并发送*/
void sensor_data_task(void *p_arg) {OS_ERR err;EthFrame_t *frame;while (1) {// 1. 生成数据（示例：2字节温度数据）uint8_t sensor_data[2] = {0x12, 0x34};// 2. 分配帧缓冲区（动态分配，发送后释放）frame = (EthFrame_t *)OSMemAlloc(sizeof(EthFrame_t), &err);if (err != OS_ERR_NONE) goto delay;frame->buf = (uint8_t *)OSMemAlloc(1536, &err);  // 足够容纳最大帧if (err != OS_ERR_NONE) {OSMemFree(frame, &err);goto delay;}// 3. 封装以太网帧（MAC头+数据+FCS）frame->buf[0] = 0xAA;  // 目的MAC[0]frame->buf[1] = 0xBB;  // 目的MAC[1]frame->buf[2] = 0xCC;  // 目的MAC[2]frame->buf[3] = 0xDD;  // 目的MAC[3]frame->buf[4] = 0xEE;  // 目的MAC[4]frame->buf[5] = 0xFF;  // 目的MAC[5]frame->buf[6] = 0x11;  // 源MAC[0]（本地MAC）frame->buf[7] = 0x22;  // 源MAC[1]frame->buf[8] = 0x33;  // 源MAC[2]frame->buf[9] = 0x44;  // 源MAC[3]frame->buf[10] = 0x55; // 源MAC[4]frame->buf[11] = 0x66; // 源MAC[5]frame->buf[12] = 0x08; // 类型字段：IP协议（0x0800）frame->buf[13] = 0x00;memcpy(&frame->buf[14], sensor_data, 2);  // 数据载荷frame->len = 16;  // MAC头14字节 + 数据2字节（省略FCS，硬件生成）frame->is_dynamic = true;// 4. 送入发包队列OSQPost(&g_eth_tx_queue, (void *)frame, sizeof(EthFrame_t *),OS_OPT_POST_FIFO, &err);if (err == OS_ERR_Q_FULL) {// 队列满：释放内存OSMemFree(frame->buf, &err);OSMemFree(frame, &err);APP_TRACE_WARN(("TX queue full, drop frame\n"));} else if (err == OS_ERR_NONE) {// 触发发包任务OSSemPost(&g_eth_tx_sem, OS_OPT_POST_1, &err);}delay:OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0, OS_OPT_TIME_PERIODIC, &err);  // 1秒周期}
}
（2）发包任务（从队列取数据并发送）

发包任务负责检查硬件状态，将队列中的数据通过 MAC 发送：

/*** @brief 发包任务：从队列取帧并发送*/
void eth_tx_task(void *p_arg) {OS_ERR err;OS_MSG_SIZE msg_size;EthFrame_t *frame;while (1) {// 1. 阻塞等待发包信号量OSSemPend(&g_eth_tx_sem, 0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, NULL, &err);if (err != OS_ERR_NONE) continue;// 2. 从发包队列取帧frame = (EthFrame_t *)OSQPostGet(&g_eth_tx_queue, &msg_size, &err);if (err != OS_ERR_NONE || frame == NULL) continue;// 3. 检查硬件状态，忙则重新入队if (!ENET_CheckTxReady()) {OSQPost(&g_eth_tx_queue, (void *)frame, sizeof(EthFrame_t *),OS_OPT_POST_FIFO, &err);OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 5, OS_OPT_TIME_PERIODIC, &err);  // 5ms后重试continue;}// 4. 调用硬件接口发送bool ret = ENET_Send(frame->buf, frame->len);if (!ret) {APP_TRACE_ERROR(("Send failed, len=%d\n", frame->len));}// 5. 释放动态分配的内存if (frame->is_dynamic) {OSMemFree(frame->buf, &err);OSMemFree(frame, &err);}// 6. 检查队列剩余数据，有则再次触发if (OSQEntries(&g_eth_tx_queue, &err) > 0) {OSSemPost(&g_eth_tx_sem, OS_OPT_POST_1, &err);}}
}
（3）发送完成中断（可选，优化发送效率）

若硬件支持发送完成中断，可用于释放缓冲区或处理重试逻辑：

/*** @brief 以太网发送完成中断（可选）*/
void ENET_TX_IRQHandler(void) {// 清除中断标志ENET_ClearIrqFlag(ENET_IRQ_FLAG_TX);// 可在此处理发送完成后的逻辑（如统计发送成功数、释放硬件缓冲区）
}

四、关键注意事项

  1. 优先级设计：
    • 中断优先级 > 收包任务优先级 > 发包任务优先级 > 业务任务优先级，确保收包实时性（避免漏包）。
  2. 内存管理：
    • 收包用预分配缓冲区（避免中断中动态分配失败），发包用动态分配（灵活适应不同长度），均需严格释放避免泄漏。
  3. 队列深度：
    • 根据最大带宽计算：如 100Mbps 以太网每秒约 14880 帧（1518 字节），队列深度需至少容纳 100ms 数据（约 1500 帧），实际可根据内存调整。
  4. 错误处理：
    • 队列满时需丢弃数据并记录日志（便于调试）；发送失败时可重试有限次（如 3 次）后丢弃，避免死循环。
http://www.dtcms.com/a/412972.html

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