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 圖2 串口程序設計示意圖

    應用程序創(chuàng)建了輸出與輸入兩個子線程共同完成通信任務。而又由于串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是相對獨立的，故可將其分開，設置兩個緩沖區(qū)，一個是發(fā)送緩沖區(qū)m_TxQueue，另一個是接收緩沖區(qū)m_RxQueue，并為每個緩沖區(qū)分別設置兩個指針，一個指向輸出線程將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個指向輸入線程將要從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的起始位置。這種方式稱之為采用雙緩沖隊列的方法，保證了無關數(shù)據(jù)的順序操作。

    3.1 多線程的設計

    線程是進程內的一條執(zhí)行路徑.它包含獨立的堆棧和CPU寄存器。每個線程共享所有的進程資源，包括打開的文件、信號標識及動態(tài)分配的內存等等。一個進程內的所有線程使用同一個32位地址空間，而這些線程的執(zhí)行由系統(tǒng)調度程序控制，調度程序決定哪個線程可執(zhí)行和什么時候執(zhí)行線程。線程有優(yōu)先級別，優(yōu)先權較低的線程必須等到優(yōu)先權較高的線程執(zhí)行完仃務后再執(zhí)行。在VC++6.0中的MFC應用程序的線程是由CwinThread對象來表示，該線程分:：用戶界面線程（GUI-Thread）和工作者線程（Worker-Thread）。用戶界面線程能夠提供界面和用戶交互，用于處理用戶輸入和響應各種信息和事件；工作者線程沒有消息循環(huán)，主要用來處理應用程序的后臺任務。本文所采用的串口操作線程即為工作者線程。程序通過調用AfxBejinThread()函數(shù)自動創(chuàng)建一個CwinThread對象，通過響應己設置好的一組事件句柄來啟動一個線程的執(zhí)行。

    3.1.1 輸出線程

    輸出線程比較簡單，它只為串口的寫操作創(chuàng)建一個OVERLAPPED結構，并設置一組事件的句柄。它可響應的事件有刪除線程事件、寫請求事件及中斷請求事件，然后線程進入主循環(huán)，等待三個事件之一的發(fā)生，以便采取適當?shù)男袆?。例如當檢測到寫請求事件時，表明輸出緩沖區(qū)內有一些數(shù)據(jù)等待發(fā)送，輸出線程便會試圖發(fā)送傳送隊列中的所有數(shù)據(jù)。在寫操作進行時，如果端口比較忙就會進入重疊模式。此時WriteFile( )返回FALSE，用GetLastError( )可以發(fā)現(xiàn)當前錯誤是ERROR_ IO_ PENDING，意味著重疊I/O操作已經開始了。若是刪除線程消息到來，輸出線程將跳出循環(huán)，關閉事件句柄，最后結束線程。

    3.1.2輸入線程

    輸入線程較為復雜一些，它既要處理串口數(shù)據(jù)的讀操作，又要處理串口狀態(tài)的讀取。而且由于輸入的數(shù)據(jù)是隨機到達的，所以輸入線程必須一直讀。輸入線程首先要創(chuàng)建兩個OVERLAPPED結構，用于讀數(shù)據(jù)和獲得通信事件，并為它們分別創(chuàng)建兩個事件。然后輸入線程要響應四個需要監(jiān)視的事件:刪除線程事件、讀信息事件、狀態(tài)信息事件和讀請求事件設置事件句柄。接著輸入線程便進入主循環(huán)，直到刪除線程的消息到來才退出。只要輸入緩沖區(qū)有空間可用，輸入線程就會一直讀發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。與輸出一樣，如果讀操作失敗了，而且返回的錯誤代碼是ERROR_ IO_ PENDING，意味著還在進行讀的重疊操作。輸入線程在等待數(shù)據(jù)輸入的同時，也在等待傳入的事件。在輸入線程里可以用SetCommMask( )函數(shù)建立事件掩模來監(jiān)視特定通信資源上的事件。如圖：

圖3 輸入線程示意圖

    在應用程序中，輸出線程只是簡單的一直調用WaitForMu1tip1e0bject()等待事件的發(fā)生，并以一個Switch Case語句為每個已發(fā)生事件提供處理方案。輸入線程的工作繁重許多，它分別調用ReadFile（）和WaitCommEvent( )接收數(shù)據(jù)和通信狀態(tài)。如果接收到的是數(shù)據(jù)，輸入線程將它保存到指定位置。如果是通信狀態(tài)，輸入線程將它交給其它函數(shù)判斷狀態(tài)內容，指引程序下一步的活動。ReadFile()和WaitCommEvent ()都是在重疊模式下工作，其步驟與輸出線程相同。

    3.1.3 線程同步
   
    在串口通信程序中，輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)能夠被多個線程訪問。它們用于在程序的主線程和輸入、輸出線程之間傳送數(shù)據(jù)塊。當端口上出現(xiàn)一些操作時，主線程和輸入、輸出線程會經常訪問這兩個對象。如果兩個線程同時處理緩沖區(qū)，就會產生不正確的數(shù)據(jù)，這就破壞了數(shù)據(jù)的完整性。C++提供了信號量( Semaphore)、互斥對象(Mutex)、臨界區(qū)(Critical Section)等手段來保護這些數(shù)據(jù)對象，防止兩個線程在同一時間訪問同一數(shù)據(jù)。保持在同一個進程內的線程工作協(xié)調一致（線程同步）。其中，臨界區(qū)是一種保證在一個時間只有一個線程訪問數(shù)據(jù)集的非常簡單的方法。當你使用臨界區(qū)，你就給了線程一個它們必須共享的對象。任何擁有臨界區(qū)對象的線程可以訪問被保護起來的數(shù)據(jù)，其它線程必須等待直到第一個線程釋放了臨界區(qū)對象。此后其它線程可以按照順序搶占臨界區(qū)對象，訪問數(shù)據(jù)。因為線程只有擁有臨界區(qū)對象才能訪問數(shù)據(jù)，而且在一個時刻只有一個線程可以擁有臨界區(qū)對象，所以決不會出現(xiàn)一個時刻有多個線程訪問數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

    考慮到本文所設計的通信緩沖區(qū)既不允許多個線程同時訪問，又不必供其它進程的線程訪問。因此，臨界區(qū)是串口通信程序多線程同步最有效的辦法。  
  
    3.2 雙緩沖隊列的設計
   
    為了提高效率，本文把緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲在標準C＋＋庫中的deque<char>對象中，它作為一種優(yōu)化的存儲容器支持元素的添加和刪除。它能高效地插入未知數(shù)量的對象，并且插入和刪除元素時系統(tǒng)的負擔很小。根據(jù)需要，本文創(chuàng)建了兩個獨立的緩沖區(qū)對象，一個是發(fā)送緩沖區(qū)m_TxQueue，另一個是接收緩沖區(qū)m_RxQueue，并將它們置于臨界區(qū)的保護下，就能確保一次只有一個線程處理緩沖區(qū)。本文所設計的類MThreadDeque提供了對緩沖區(qū)的各種操作，如Extract（），Clear（），Insert（）等，每種操作開始和結束的時候都要調用::EnterCriticalSection( &m_Lock )和::LeaveCriticalSection( &m_Lock )，關鍵代碼如下：

class MThreadDeque
{
protected :
    const m_iMaxSize;
    deque<char> m_Queue;
    CRITICAL_SECTION m_Lock;
public :
    MThreadDeque( int max_size ) : m_iMaxSize( max_size )
    {
        ::InitializeCriticalSection( &m_Lock );
    }   
    ~ MThreadDeque ()
    {
        ::DeleteCriticalSection( &m_Lock );
    }      
    int Insert( char c )
    {
        int return_value;
        ::EnterCriticalSection( &m_Lock );
        if ( m_Queue.size() < m_iMaxSize ) {
            m_Queue.push_back( c );
            return_value = c & 0xff;
        } else
            return_value = -1;
        ::LeaveCriticalSection( &m_Lock );
        return return_value;
    }
       ……
};
  
    3.3 網絡通信部分的設計

    當工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，不適合人為操作時，將硬件采集的數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控中心進行分析和處理是十分有必要的。Socket套接字是目前最流行的網絡通信應用程序接口之一，利用它可以方便地實現(xiàn)局域網內的數(shù)據(jù)的傳輸，是開發(fā)客戶機/服務器網絡應用程序的重要方法。當向一個套接字寫入時，所送數(shù)據(jù)會自動出現(xiàn)在套接宇的另一端，另一端可能是相同機器上運行的另一個進程，也可能是世界上任何地方互連的一臺計算機。TCP/IP傳輸層有兩個并列的協(xié)議:T C P ( Transport Contro1 Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)其中TCP是面向連接的，UDP是無連接的，Socket同時支持這兩種通信模式，所對應的Socket分別為數(shù)據(jù)流Socket和數(shù)據(jù)報Socket。數(shù)抓流Socket定義了一種可靠的面向連接的服務，實現(xiàn)無差錯、無重復的順序數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)報Socket定義了一個無連接的服務，數(shù)據(jù)通過相互獨立的包進行傳輸，包的傳輸是無序，并且不保證是否出錯、丟失和重復。本文采用了流式Socket來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，工作過程如圖4所示。
 

 圖4 Socket通信流程圖