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 图2 串口程序设计示意图

    应用程序创建了输出与输入两个子线程共同完成通信任务。而又由于串口发送和接收的数据是相对独立的，故可将其分开，设置两个缓冲区，一个是发送缓冲区m_TxQueue，另一个是接收缓冲区m_RxQueue，并为每个缓冲区分别设置两个指针，一个指向输出线程将要发送的数据，另一个指向输入线程将要从缓冲区读取数据的起始位置。这种方式称之为采用双缓冲队列的方法，保证了无关数据的顺序操作。

    3.1 多线程的设计

    线程是进程内的一条执行路径.它包含独立的堆栈和CPU寄存器。每个线程共享所有的进程资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。一个进程内的所有线程使用同一个32位地址空间，而这些线程的执行由系统调度程序控制，调度程序决定哪个线程可执行和什么时候执行线程。线程有优先级别，优先权较低的线程必须等到优先权较高的线程执行完仃务后再执行。在VC++6.0中的MFC应用程序的线程是由CwinThread对象来表示，该线程分:：用户界面线程（GUI-Thread）和工作者线程（Worker-Thread）。用户界面线程能够提供界面和用户交互，用于处理用户输入和响应各种信息和事件；工作者线程没有消息循环，主要用来处理应用程序的后台任务。本文所采用的串口操作线程即为工作者线程。程序通过调用AfxBejinThread()函数自动创建一个CwinThread对象，通过响应己设置好的一组事件句柄来启动一个线程的执行。

    3.1.1 输出线程

    输出线程比较简单，它只为串口的写操作创建一个OVERLAPPED结构，并设置一组事件的句柄。它可响应的事件有删除线程事件、写请求事件及中断请求事件，然后线程进入主循环，等待三个事件之一的发生，以便采取适当的行动。例如当检测到写请求事件时，表明输出缓冲区内有一些数据等待发送，输出线程便会试图发送传送队列中的所有数据。在写操作进行时，如果端口比较忙就会进入重叠模式。此时WriteFile( )返回FALSE，用GetLastError( )可以发现当前错误是ERROR_ IO_ PENDING，意味着重叠I/O操作已经开始了。若是删除线程消息到来，输出线程将跳出循环，关闭事件句柄，最后结束线程。

    3.1.2输入线程

    输入线程较为复杂一些，它既要处理串口数据的读操作，又要处理串口状态的读取。而且由于输入的数据是随机到达的，所以输入线程必须一直读。输入线程首先要创建两个OVERLAPPED结构，用于读数据和获得通信事件，并为它们分别创建两个事件。然后输入线程要响应四个需要监视的事件:删除线程事件、读信息事件、状态信息事件和读请求事件设置事件句柄。接着输入线程便进入主循环，直到删除线程的消息到来才退出。只要输入缓冲区有空间可用，输入线程就会一直读发送过来的数据。与输出一样，如果读操作失败了，而且返回的错误代码是ERROR_ IO_ PENDING，意味着还在进行读的重叠操作。输入线程在等待数据输入的同时，也在等待传入的事件。在输入线程里可以用SetCommMask( )函数建立事件掩模来监视特定通信资源上的事件。如图：

图3 输入线程示意图

    在应用程序中，输出线程只是简单的一直调用WaitForMu1tip1e0bject()等待事件的发生，并以一个Switch Case语句为每个已发生事件提供处理方案。输入线程的工作繁重许多，它分别调用ReadFile（）和WaitCommEvent( )接收数据和通信状态。如果接收到的是数据，输入线程将它保存到指定位置。如果是通信状态，输入线程将它交给其它函数判断状态内容，指引程序下一步的活动。ReadFile()和WaitCommEvent ()都是在重叠模式下工作，其步骤与输出线程相同。

    3.1.3 线程同步
   
    在串口通信程序中，输入缓冲区和输出缓冲区能够被多个线程访问。它们用于在程序的主线程和输入、输出线程之间传送数据块。当端口上出现一些操作时，主线程和输入、输出线程会经常访问这两个对象。如果两个线程同时处理缓冲区，就会产生不正确的数据，这就破坏了数据的完整性。C++提供了信号量( Semaphore)、互斥对象(Mutex)、临界区(Critical Section)等手段来保护这些数据对象，防止两个线程在同一时间访问同一数据。保持在同一个进程内的线程工作协调一致（线程同步）。其中，临界区是一种保证在一个时间只有一个线程访问数据集的非常简单的方法。当你使用临界区，你就给了线程一个它们必须共享的对象。任何拥有临界区对象的线程可以访问被保护起来的数据，其它线程必须等待直到第一个线程释放了临界区对象。此后其它线程可以按照顺序抢占临界区对象，访问数据。因为线程只有拥有临界区对象才能访问数据，而且在一个时刻只有一个线程可以拥有临界区对象，所以决不会出现一个时刻有多个线程访问数据的现象。

    考虑到本文所设计的通信缓冲区既不允许多个线程同时访问，又不必供其它进程的线程访问。因此，临界区是串口通信程序多线程同步最有效的办法。  
  
    3.2 双缓冲队列的设计
   
    为了提高效率，本文把缓冲区数据存储在标准C＋＋库中的deque<char>对象中，它作为一种优化的存储容器支持元素的添加和删除。它能高效地插入未知数量的对象，并且插入和删除元素时系统的负担很小。根据需要，本文创建了两个独立的缓冲区对象，一个是发送缓冲区m_TxQueue，另一个是接收缓冲区m_RxQueue，并将它们置于临界区的保护下，就能确保一次只有一个线程处理缓冲区。本文所设计的类MThreadDeque提供了对缓冲区的各种操作，如Extract（），Clear（），Insert（）等，每种操作开始和结束的时候都要调用::EnterCriticalSection( &m_Lock )和::LeaveCriticalSection( &m_Lock )，关键代码如下：

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 网络通信部分的设计

    当工业现场环境恶劣，不适合人为操作时，将硬件采集的数据传送到远程监控中心进行分析和处理是十分有必要的。Socket套接字是目前最流行的网络通信应用程序接口之一，利用它可以方便地实现局域网内的数据的传输，是开发客户机/服务器网络应用程序的重要方法。当向一个套接字写入时，所送数据会自动出现在套接宇的另一端，另一端可能是相同机器上运行的另一个进程，也可能是世界上任何地方互连的一台计算机。TCP/IP传输层有两个并列的协议:T C P ( Transport Contro1 Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)其中TCP是面向连接的，UDP是无连接的，Socket同时支持这两种通信模式，所对应的Socket分别为数据流Socket和数据报Socket。数抓流Socket定义了一种可靠的面向连接的服务，实现无差错、无重复的顺序数据传输；数据报Socket定义了一个无连接的服务，数据通过相互独立的包进行传输，包的传输是无序，并且不保证是否出错、丢失和重复。本文采用了流式Socket来实现远程数据传输，工作过程如图4所示。
 

 图4 Socket通信流程图