多机通信协议设计

多机通信设计
我们选用总线型网络拓扑结构，各站直接连在总线上，由服务机统一管理网络总线，分配网络资源。

使用类似于令牌总线网的协议，由服务机轮询每一客户机是否有数据发送，如果有分配发送时间，移交总线使用权，否则询问下一客户机；其中接口电路会将所接收到信号中继，并转发。

因此网络中任意一台机器所发送的数据对其它机器都是可见的，并且在一定程度上保证了信号的可靠性。

系统网络拓扑设计如下图所示：
4 系统网络协议设计
我们拟定网络容量为1台服务机和62台客户机，客户机之间可以相互通信。

客户机和服务机之间也可以相互通信。

我们提出的协议参考了停止等待协议，数据包参考了IP 数据包而设计，但针对单片机我们进行了如下特别处理。

1）基于一是单片机可用RAM 不够（AT89S52是256字节，A T89S51是128字节），不能暂存太多数据包；二是片内CPU 速度不理想，控制多个时钟，CPU 资源消耗太多，会大大降低系统性能。

因此，我们取消了停止等待协议有发送窗口这一机制，而采用发送一个数据包就等待当前数据包的确认包。

超时再发，超过两次视不可达。

即可以理解为发送窗口为1。

2） 对于IP 数据包，源地址和目的地址都在首部。

但本协议因为要标界，即必须标出一个数据包的起始与结束。

8位单片机一次只能处理一个8位的数据帧，这样就必须想办法把多个数据帧组合成包，增加信息携带量和数据标识信息。

利用这个边界和奇偶校验位，来携带目的地址和源地址，以最高位来识别目的地址和源地址，以便经济，节约了资源。

数据包的具体设计如下：（1）精简首部项，只保留目的地址、源地址、长度、FCS 、类型字和 一个保留字，以备第二次开发用，以增加数据携带量。

（2）对于FCS ，采用8位异或的方式，即数据包的每一个字节（除最后一个字节源地址外和FCS 本身）相异或，得到8位检验码作为FCS 。

这样有一定的检错功能，也降低了计算强度。

（3）吸取IP 数据包可变长度的特点，设置长度可变（6-16字节），这样有利于节约网络资源，减少处理时。

（4）保留IP 数据包的控制字，以便标识数据包类型，提高数据包使用的灵活性。

经过综合分析和优化处理，制定如下单片机多机通信协议： 服务机协议：
（1）服务机按1/384的间隔发送询问数据包；
（2）将当前询问地址加1，判断，如果大于63则置当前询问地址为
1，如果小于1则置当前询问地址为62，转下一步； （3）向当前询问地址机器发送一询问数据包； （4）等待一个发送间隔时间；
（5）如果没有收到确认包则转到将当前数据包重发，重发计数器加1，计数器大于2则转向（6）；如果收到确认包转到（7）； （6）设置发送失败标记，重发计数器清0，转到（2）； （7）设置发送成功标记，重发计数器清0，转到（8）；
（8）查看被询问客户机是否有数据要发送，有则分配总线使用权和时间片，转到（9），否则转到（2）；
（9）等待被询问客户机的发送结束数据包，如果收到转到（2）。

在一个时间片（1/384s ）内，没有收到，视为超时。

服务机收回总线使用权，转到（2）。

客户机协议：
（1）接收属于本机的数据包；
（2）如果是询问数据包，检查本机是否有数据要发送，如果有，则发送“有数据发送信息”到服务机，并捎带确认转到（3），否则发送“没有数据发送信息”到服务机，并捎带确认，转到（1）；其它类型数据包不处理，转到（1）；
（3）等待网络资源分配数据包，收到则发送确认包，转到（5）；超时，停止等待转到（1）；
（4）等待上一数据包的确认，收到则转到（5），否则转到（7）；
（5）检查是否还有数据要发送，有则发送数据包转到（6）；否则发送“结束发送信息”到服务机，转到（1）。

（6）检查是否超时，如果超时结束发送转到（1），否则转到（4）。

（7）重发，是否超过两次，是则当前发送失败，转到（5），否则转到（4）。

因此，每发一数据包都会请求对方的确认，如果没有确认，则会再重发一次，超过两次则被视为对方不可达，发送失败；并且在被询问客户机有数据发送时，如果总线空闲，服务机将分配其使用时间片，在这个时间片内，如果数据未发送完成，服务机将强行收回。

能发送完成，客户机要发送结束数据包，归还总线使用权。

图示如下：
5 系统协议中数据包的设计 AT89S52的SCON 字定义如下：
因是多机通信，且单片机的数据帧只有8位，故有必要将短的数据
帧组成带有地址标记的数据包。

在这里我们置SM0，SM1为
10，即
选择工作方式2。

在此方式下，如果SM2=0，串口会在接收到有效停止位产生一个中断；如果SM2=1，串口只在接受第九位数据为1的情况下产生串口中断，因此我们可以利用这一功能来处理地址帧与数据帧之间的区分问题。

其中TB8位数据为要发送的第九位数据，RB8为收到的第九位数据；TI，RI分别为接收中断和发送中断。

此种方式下数据发送的波特率计算方式如下：
波特率=2的
SMOD次方除以64再乘一个fosc，即当SMOD=1时，波特
率为1/32fosc，当SMOD=0时，波特率为1/64fosc。

SMOD是PCON的最高位，是单片机上实现电源控制面附加的。

在这里我们将SMOD置1，即为1/32fosc，fosc为晶振频率（11.0592MHz），即345600Bps。

5.1 数据包格式
数据包采用不定长数据包，其格式如下：
各部分定义如下：
A：数据包开始标记，最高位为0，低七位为目的地址，奇偶校验位为1，表示此字节为地址信息；B：保留，填充为0AAH；
C：数据包长度，包括开始和结束地址的总长度；
D：数据包类型，此类型决定数据包格式和所携带的信息；
E：携带的数据；F： FCS检验序列；
G：结束标记，最高位为1，低七位为数据包源地址，奇偶校验位为1，表示此字节为地址信息。

考虑到单片机的内存，所以数据包没有设置太多的控制单位，而将开始标记和目的地址合并到一个单元中；同时将结束标记和源地址也合并到一个单元中。

将发送模式设为02模式，第九位数据可以作为地址与数据区别标记，A和G的第九位数据全为1，其它全为0，这样有效的区分了数据和地址信息。

同时考虑单片机网络的通信量，尽量提高单个数据包的效率，开始和结束字节分别附上目的地址和源地址，由最高位识别开始与结束，在很大程度上提高了数据包的效率，降低数据字节的占用率。

5.2 FCS序列
计算机网络中FCS序列是帧检验序列。

数据链路层帧方式接入协议（LAPF）中的字段，是一个16比特的序列。

它具有很强的检错能力，它能检测出在任何位置上的3个以内的错误、所有的奇数个错误、16个比特之内的连续错误以及大部分的大量突发错误。

但如果将这一检验机制用到单片机网络中却不合适，因单片机每一次只能发送一个数据帧，且开始和停止数据位以及奇偶校验位总长度最大为11位。

如果用16位长度的比特来做FCS序列，会增加很大计算量，这对运算速度相对很慢的单片机CPU也不可取，因此对FCS序列做如下调整：1）FCS序列长度为8比特；2）生成方式为数据包各字节异或；3）检测长度从开始标记开始到FCS前一字节为止。

引入FCS序列，检测数据传送突发错误。

5.3 数据包实例
下面给出具体的数据包实例。

A：表示此数据包送达的目的地址为01； B：保留字，默认填入0AAH；C：长度为07；
D：类型值00H； E：所携带的数据00H； F：FCS检验序列。

计算方法如下：
G：此数据包的源地址为7FH。

6 总结
本数据包设计不仅适用于8位单片机处理，也适用于其它同规格的单片机网络。

由于数据包有检测机制，提高了数据的可靠性；并且采用类似IP数据包的封装形式，每个数据包都封装了源地址、目的地址、长度字节和控制字节，这给数据包的使用方式提供了很大的自由，同时比定长数据包节约网络资源。

由于每发送一个数据包设置了等待确认机制，进一步提高了可靠性。

经过实验，此协议能正常的运行在基于AT89S52的单片机网络上，并且具有相当高的可靠性，能实现客户机与服户机之间的通信,以及客户机与客户机之间的通信，解决8位单片机多机通信的问题。