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 圖2 串口程序設計示意圖

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

    3.1 多線程的設計

    線程是進程內的一條執行路徑.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，而這些線程的執行由系統調度程序控制，調度程序決定哪個線程可執行和什么時候執行線程。線程有優先級別，優先權較低的線程必須等到優先權較高的線程執行完仃務后再執行。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，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()函數自動創建一個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，等待三個事件之一的發生，以便采取適當的行動。例如當檢測到寫請求事件時，表明輸出緩沖區內有一些數據等待發送，輸出線程便會試圖發送傳送隊列中的所有數據。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( )可以發現當前錯誤是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，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，它既要處理串口數據的讀操作，又要處理串口狀態的讀取。而且由于輸入的數據是隨機到達的，所以輸入線程必須一直讀。輸入線程首先要創建兩個OVERLAPPED結構，用于讀數據和獲得通信事件，并為它們分別創建兩個事件。然后輸入線程要響應四個需要監視的事件:刪除線程事件、讀信息事件、狀態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，直到刪除線程的消息到來才退出。只要輸入緩沖區有空間可用，輸入線程就會一直讀發送過來的數據。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。輸入線程在等待數據輸入的同時，也在等待傳入的事件。在輸入線程里可以用SetCommMask( )函數建立事件掩模來監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()等待事件的發生，并以一個Switch Case語句為每個已發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( )接收數據和通信狀態。如果接收到的是數據，輸入線程將它保存到指定位置。如果是通信狀態，輸入線程將它交給其它函數判斷狀態內容，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，輸入緩沖區和輸出緩沖區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據塊。當端口上出現一些操作時，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，就會產生不正確的數據，這就破壞了數據的完整性。C++提供了信號量( Semaphore)、互斥對象(Mutex)、臨界區(Critical Section)等手段來保護這些數據對象，防止兩個線程在同一時間訪問同一數據。保持在同一個進程內的線程工作協調一致（線程同步）。其中，臨界區是一種保證在一個時間只有一個線程訪問數據集的非常簡單的方法。當你使用臨界區，你就給了線程一個它們必須共享的對象。任何擁有臨界區對象的線程可以訪問被保護起來的數據，其它線程必須等待直到第一個線程釋放了臨界區對象。此后其它線程可以按照順序搶占臨界區對象，訪問數據。因為線程只有擁有臨界區對象才能訪問數據，而且在一個時刻只有一個線程可以擁有臨界區對象，所以決不會出現一個時刻有多個線程訪問數據的現象。

    考慮到本文所設計的通信緩沖區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，本文把緩沖區數據存儲在標準C＋＋庫中的deque<char>對象中，它作為一種優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量的對象，并且插入和刪除元素時系統的負擔很小。根據需要，本文創建了兩個獨立的緩沖區對象，一個是發送緩沖區m_TxQueue，另一個是接收緩沖區m_RxQueue，并將它們置于臨界區的保護下，就能確保一次只有一個線程處理緩沖區。本文所設計的類MThreadDeque提供了對緩沖區的各種操作，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

    當工業現場環境惡劣，不適合人為操作時，將硬件采集的數據傳送到遠程監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局域網內的數據的傳輸，是開發客戶機/服務器網絡應用程序的重要方法。當向一個套接字寫入時，所送數據會自動出現在套接宇的另一端，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分別為數據流Socket和數據報Socket。數抓流Socket定義了一種可靠的面向連接的服務，實現無差錯、無重復的順序數據傳輸；數據報Socket定義了一個無連接的服務，數據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來實現遠程數據傳輸，工作過程如圖4所示。
 

 圖4 Socket通信流程圖