一种单线程DDS协议栈及其实现方法与流程

本发明涉及数据通信，具体涉及一种单线程dds协议栈及其实现方法。

背景技术：

1、dds(data distribution service)是一种用于实时系统的数据分发服务。它是一种中间件技术，用于在分布式系统中传输和分发数据。dds可以提供高效、可靠和实时的数据传输机制，实现在不同的计算机节点之间进行数据交换和共享，因此受到汽车行业的高度关注。

2、dds在汽车开放系统体系结构自适应平台(autosar ap，automotive open systemarchitecture adaptive platform)中已经开始应用。但是基于单线程实现dds协议栈的方法还没有标准的规范。

3、在嵌入式系统和其他资源受限环境中，高效的内存管理对系统性能至关重要。传统的内存分配和释放方式容易导致碎片化和性能瓶颈。急需基于单线程中实现dds协议，实现dds、rtps、transport实体之间的协议传输，并且开发出timer_event时间超时管理事件队列的方案。该方案能够实现单线程中的不同类型消息事件的发送接收，并且引入物理内存分割的管理方案，实现dds协议中各个实体对象的内存分层是安全隔离的，内存大小是可信可控的，从而满足汽车行业对模块间通信安全的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种创新的内存管理系统，通过预先分配内存池并采用位集技术，实现更高效、更可控的内存分配和释放。

2、为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是提供了单线程dds协议栈，所述协议栈及其平台包括dds实体对象、cp wrapper模块、斐波那契堆、udp消息接收接口、pdur数据接收接口以及内存池，dds实体对象包括pdp模块、heartbeat模块、acknack模块和datafrag模块、rtps模块、dds模块、transport模块；

3、在rtps模块初始化时，创建pdp模块、heartbeat模块、acknack模块、datafrag模块用于消息发送事件，并将创建的事件插入到斐波那契堆；

4、dds模块读取数据前，驱动rtps模块确认当前participant任务队列中最早被调度的事件是否过期，如果过期，则从斐波那契堆中提取最早的事件，并删除斐波那契堆中原事件结点；

5、然后rtps模块执行最早事件对应的回调函数，即执行前述的pdp模块、heartbeat模块、acknack模块或datafrag模块进行消息发送事件；

6、回调函数执行完毕后，如果当前事件在之后的通信中仍需要调用，并非单次执行事件，则重新调整斐波那契堆，将当前执行完毕的事件结点插入到斐波那契堆；

7、然后循环往复检查participant任务队列中的过期事件，并执行过期事件，直至participant任务队列中过期事件全部处理完毕；

8、transport模块初始化以及构建时，将transport通道构建为双向循环链表；

9、消息接收处理接口位于dds模块，dds模块驱动rtps模块transport通道通过回调函数监听消息；

10、对于posix，监听回调函数封装udp消息接收接口，transport通道将通过udp消息接收接口监听以太网中的udp消息，然后rtps模块再对接收到的udp消息进行反序列化、质量服务管理以及安全管理处理；

11、对于autosar cp，监听回调函数封装pdur数据接收接口，cp wrapper模块用于获取lowlayer的pdur数据，transport通道会通过cp wrapper模块将来自pdur模块的数据路由给rtps模块，然后rtps模块再对接收到的pdur数据进行反序列化、质量服务管理以及安全管理处理，最后rtps模块将处理完毕的数据返回到pdur-r uplayer；

12、内存池对dds实体对象不同的实体对象进行了预先分配内存，统一对dds实体对象的内存管理，使用位集数组来对内存池的使用进行标记和管理，位集数组是一个元素为无符号32位整数的数组，每一位都代表一种状态，内存池使用了个元素为相应类型的实体对象的数组，用来存储实际的元素数据；当从内存池中分配一个dds实体对象时，从数组中获取一个可用的元素，并将其对应的位集数组的位标记为1，表示已使用；

13、当释放一个dds实体对象时，将对应的位集数组的位标记为0，表示未使用；

14、在系统初始化时，全局变量池被创建并预先分配足够的内存池空间，当dds实体对象需要获取内存时，通过位集技术，快速查找未使用的内存块，分配找到的空闲内存块，更新位集信息，返回分配的内存地址；

15、当dds实体对象完成对内存的使用时，根据释放的内存地址，计算在内存池中的索引，通过位集技术，清除相应的内存块占用标记，释放内存块，针对可能的内存释放两次的情况，进行检查和提醒。

16、本发明的技术方案还提供了一种单线程实现dds协议栈的方法，采用所述的一种单线程dds协议栈，所述方法用于将dds协议集成在单核的硬件环境中使用，实现包含时间事件管理、内存管理和内存池，所述dds实体对象还包括write模块和read模块，所述方法包括以下步骤

17、write模块发送dds协议栈的消息，write模块完成发送之后，read模块开始接收对端的dds协议栈的消息，read模块接收完整之后，重复write模块开始发送dds协议栈的消息；

18、时间事件管理包括：

19、write模块在发送数据时，管理所有发送的消息的队列，使得所有队列中的消息按照预设的时间间隔发送消息；

20、read模块在接收数据时，管理所有需要接收的消息类型的队列，使得所有队列中的消息类型按照预设的时间间隔触发接收消息；

21、内存管理和内存池包括：

22、write模块在发送数据的过程中，使用的dds协议栈的内存包含dds模块的participant模块、rtps模块、pub模块、write模块的内存管理；

23、read端在接收数据的过程中，使用的dds协议栈的内存包含dds模块的participant模块、rtps模块、sub模块、read模块的内存管理；

24、内存管理和内存池的关键特征包括：内存池预先分配、位集技术和全局变量池。

25、优选地，所述时间事件管理包括超时处理接口设计，用于所述write模块发送pdp、heartbeat、acknowledge消息；

26、write模块在dds模块读取数据前，驱动rtps模块确认当前participant任务队列中被调度的事件是否过期；

27、如果过期，则从创建的斐波那契堆中提取最早的事件，并删除创建的斐波那契堆中原事件结点；

28、然后rtps模块执行最早事件对应的回调函数，执行pdp、heartbeat、acknack或datafrag消息发送事件；

29、write模块在的回调函数执行完毕后，如果当前事件在之后的通信中仍需要调用，并非单次执行事件，则重新调整创建的斐波那契堆；

30、将当前执行完毕的事件结点插入到创建的斐波那契堆，然后循环往复检查participant任务队列中的过期事件，并执行过期事件，直至participant任务队列中过期事件全部处理完毕。

31、优选地，所述时间事件管理包括独立的消息接收处理接口的设计；

32、read模块用于驱动transport factory所有内部通道，监听并接收各个通道的数据，并将数据传递给与其关联的reader；

33、read模块的transport模块初始化以及构建时，将transport通道构建为双向循环链表，消息接收处理接口位于dds模块，dds模块驱动rtps模块transport通道通过回调函数监听消息；

34、对于posix，监听回调函数封装udp消息接收接口，transport通道将通过udp消息接收接口接口监听以太网中的udp消息，然后rtps层再对接收到的udp消息进行反序列化、质量服务管理以及安全管理处理；

35、对于autosar cp，监听回调函数封装pdur数据接收接口，cp wrapper模块用于获取lowlayer的pdur数据，transport通道会通过cp wrapper模块将来自pdur模块的数据路由给rtps层，然后rtps层再对接收到的pdur数据进行反序列化、质量服务管理以及安全管理处理；

36、rtps模块将处理完毕的数据返回到pdur-r uplayer。

37、本发明的技术方案提出一种单线程dds协议栈及其实现方法，支持wrire和read串行通信,并且wrire和read都有多种消息类型以及支持多个wrire，多个read的多对多的收发通信。在通信中使用了内存池与内存管理方法，是每个实体通信对象都有独立的一块内存使用，从而提高通信时的数据安全。