基于有限状态机的双控制台同步的实现

李军杰 张雷

（第七一五研究所，杭州，310023）

系统中双控制台分别进行操作，需要将操作数据同步，同步的数据不能发生丢失和错误，否则将影响系统的可靠性和稳定性。本文将双台的控制板融入同一个工控机箱(如图1)，利用具有高可靠性和强实时性的VME总线进行通信。操作台操作内容不同，则需同步数据不同，本文针对同步数据的多样性，定义数据包格式，然后在有限状态机[1-2]的基础上，对VME总线通信接收端进行设计，保证对不同类型数据包分析的可靠性，并在VxWorks实时操作系统下进行实现。

图1 双控制台结构图

1 定义数据包格式

控制台进行操作时，因操作内容不同，需同步数据的含义和长度不同，若通过VME总线的同一地址，直接发送给另外一个操作台，接收端无法对接收到的数据进行分析。因此有必要将同步数据进行封装后再发送，为了保证接收端对接收到数据的解码分析的正确性，将数据包定义为如表1所示。

表1 数据包格式

表1中，起始标识表示开始接收一个新的数据包，本协议中规定为0x55；命令：用来说明数据包的用途；数据长度：整个包共占的字节数，利用此字节，接收方识别数据包长度并能够准确接收数据包；校验：是对数据包除校验字节外的所有字节的CRC校验；结束标示：表示数据包的结束，本文协议中规定为0xAA。

2 VME通信机制

2.1 有限状态机原理

有限状态机[3]系统是指在不同阶段会呈现出不同运行状态的系统，这些状态是有限的，不重叠的。这样的系统在某一时刻一定会处于其所有状态中的一个状态，此时它接收一部分允许的输入，产生一部分可能的响应，并且迁移到一部分可能的状态。FSM的状态迁移如图2所示。

图2 FSM的状态迁移

FSM包括以下5个要素：（1）状态，是一个系统在其生命周期中某一时刻的运行情况，此时，系统会执行一些动作或等待一些外部输入。（2）条件，状态机对外部消息进行响应的时候，除了需要当前的状态，还要判断跟这个状态相关的一些条件是否成立。这种判断称为 Guard。Guard通过允许或禁止某些操作来影响状态机的行为。（3）事件，就是在一定的时间和空间上发生对系统有意义的事情。（4）动作，当一个事件被状态机系统分发的时候，状态机用动作进行响应，比如修改一下变量的值，进行输入输出，产生另一个事件或迁移到另一个状态等。（5）迁移，从一个状态换到另一个状态的行为。引起状态迁移的事件称为触发事件或触发。

2.2 VME通信接收端状态图

同步数据传输的基本信息单元是数据包，当数据包过长时，数据包需分拆成多块进行传输。如果数据包整个包进行传输，接收端将对接收到的数据包进行解码分析。针对不同的数据包进行分析，本文引入有限状态机。在有限状态机中，状态的变化依赖外部的事件，当条件满足时，发生状态迁移。本文将数据包分析的过程分为不同的状态，将下一个数据作为外部触发事件，使状态发生迁移，直到数据包分析完成。在2.1节有限状态机的基础上，在VME通信的接收端引入状态图[4]，如图3。

接收端状态主要分为五个状态：寻找数据包头标识状态、数据包头处理状态、组包状态、校验数据包状态和完成状态。如图3所示，各状态之间的转换如下：当有数据到达时，系统进入寻找数据包头状态，若收到数据非0x55，状态不发生迁移，若收到数据位0x55，则系统状态跳转到数据包头处理状态；进入包头数据处理状态后，若收到数据长度小于4，状态不发生迁移，数据长度大于4后，若长度标识错误，则状态迁移至寻找包头标识状态，若长度标识正确，则进入组包状态；进入组包状态后，数据长度未达到指定长度，状态不发生迁移，否则，状态迁移至校验数据状态；进入校验数据状态后，若数据校验不正确，则状态迁移至寻找包头标识状态，否则进入完成状态。

图3 接收端状态图

3 VxWorks下VME通信实现

根据上述机制，在VxWorks系统下进行软件实现，并在硬件平台上测试。对于不同的硬件平台有不同的BSP包，本实验采用的硬件平台是由工控机箱内的两块VRJ9主板和SHARC信号处理板组成，VRJ9主板配置了POWERPC芯片，VME驱动的配置参照文献[5]进行。测试方法是两块VRJ9主板和SHARC板之间通过VME总线进行通信，利用其中一块主板向另一块主板发送数据，如图4所示，连续多次发送数据，并在显示器上打印各板收到的数据。

图4 实验环境

编写测试程序[6]，为VME总线在SHARC板上分配256 byte空间，设置6种数据包类型数据标识分别为0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06，数据长度分别为 0x08、0x09、0x10、0x11、0x12、0x13，数据内容都为0xff，每秒钟发送每个类型数据包各一个和一个错误数据包（命令标识为0x01、数据长度0x07，丢失结束标识0xaa，命令内容为 0x20）向对方主板发送。加载测试程序，从两块VRJ9主板打印接收到的数据以及发送和接收到数据总数。

测试30 min后，未出现0x20和其他错误数据，且所接收到的数据为156600 byte，与所发送正确字符数相同，目测接收数据的速度，未发现明显延迟。

4 结论

针对双控制台数据同步的问题，以VEM总线为基础，提出了一种基于有限状态机的双控制台同步方案。通过实验验证，方案能够实现双控制台数据同步，实验结果验证了该方案具有高可靠性和强实时性，为反潜系统上实现双控制台数据同步提供了理论依据。

[1]ALFRED V AHO, MONICA S LAM. 编译原理[M].2版.北京：机械工业出版社,2009.

[2]史雪飞, 王志良, 张琼. 基于有限状态机矩阵模型的人工情绪模型[J].计算机工程,2010,36(18):24-25.

[3]张菁. 基于有限状态机的 UDP传输设计[J].计算机工程,2011.9,37(17):21-24.

[4]李莹. 一种基于状态机的串口通信协议的设计与实现[J].电子设计工程, 2012,20(7):100-104.

[5]凌震莹. 基于VxWorks的VME总线驱动的实现[J].计算机应用与软件, 2011,28(7):299-300.

[6]杨雪峰. 基于有限状态机的PS/2协议的实现[J]. 可编程控制器与工厂自动化,2009,(12):36-39.