EPICS V7 解析（三） - pvAccess协议编码_epics通信代码分析-优快云博客

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pvAccess协议数据编码

1. 协议概述

pvAccess协议是一种用于分布式系统通信的协议，支持高效的数据序列化与反序列化。其数据编码设计强调灵活性、高效性和跨平台兼容性，支持多种数据类型（标量、数组、结构、联合等），并通过元数据（如内省数据、位集）实现动态类型管理和部分序列化优化。

2. 数据编码规则

2.1 大小（Size）编码

规则：

空值（Null）：用单字节0xFF表示。
元素数 < 254：直接以1字节无符号整数编码。
元素数 < 2³¹-1：首字节0xFE，后接32位有符号整数。
元素数 ≥ 2³¹-1：暂不支持，但预留扩展方案（首字节0xFE，后接0x7FFFFFFF及64位整数）。

限制：最大支持元素数为2⁶³-1，但实际实现受限于协议版本。

2.2 字节序处理

连接导向协议（如TCP）需通过SET_ENDIANESS控制消息协商字节序，而非依赖消息头的字节序标志。
无连接协议（如UDP）由发送方决定字节序，接收方需自适应解析。

3. 基本类型编码

类型	编码方式
布尔值	1字节（0为false，非零为true，发送方无需统一非零值）。
整数	二补码表示（8/16/32/64位），如byte（8位）、short（16位）。
无符号整数	直接二进制表示，如ubyte（8位）、ulong（64位）。
浮点数	遵循IEEE-754标准（float为32位单精度，double为64位双精度）。

4. 复合类型编码

4.1 数组

可变数组：大小+元素序列（如03 01 02 03）。
有界数组：大小≤预设上限（如byte<16>最多16元素）。
固定数组：无需大小字段，严格按定义长度解析（如byte[4]必须4元素）。

4.2 字符串

编码为UTF-8字节数组，前置大小字段（字节数，非字符数）。
有界字符串：大小不得超过预设界限，编码方式与普通字符串相同。
禁止终止符：内部实现若使用\0，序列化时需剔除。

4.3 结构体（Structure）

按字段定义顺序依次编码各成员。

结构数组：每个元素前加存在标志（0x00表示空，0x01后接结构数据）。

示例：

结构体数组[{0x1111, 0x2222}, null, {0x3333, 0x4444}]编码为：
03 01 11 11 22 22 00 01 33 33 44 44

4.4 联合（Union）与变体联合（Variant Union）

普通联合：编码为选择器值（size类型）后接所选成员数据。
变体联合：编码为内省描述（Field类型）后接实际数据，支持开放类型。

5. 元数据编码

5.1 位集（BitSet）

编码方式：按8位组序列化，低位优先（LSB到MSB），优化传输时剔除尾部零。

示例：

{8}：编码为02 00 01（3字节，表示第8位为1）。


{0,1,2,4}：编码为01 17（二进制00010111）。

5.2 部分结构序列化

通过位集标记序列化的字段，仅传输变更部分。

位分配规则：结构体内每个字段对应一个位，若父结构位被设置，则所有子字段必须序列化。

6. 状态（Status）编码

标准结构：

struct Status {

  byte type;       // 枚举：OK(0), WARNING(1), ERROR(2), FATAL(3)

  string message;  // 可选错误信息 
  string callTree; // 调用栈信息（可选）

};

优化：若状态为OK且无附加信息，可简化为StatusOK结构（单字节0xFF）。

示例：

StatusOK：FF


WARNING, "Low memory", ""：01 0A 4C 6F 77 20 6D 65 6D 6F 72 79 00

7. 内省数据（Introspection Data）

7.1 编码类型

类型码	描述
NULL_TYPE_CODE	无内省数据（单字节0xFF）。
ONLY_ID_TYPE_CODE	仅发送类型ID（0xFE后接ID）。
FULL_WITH_ID_TYPE_CODE	发送ID及完整类型描述（0xFD后接ID及字段描述）。
FULL_TAGGED_ID_TYPE_CODE	含ID、标签及类型描述（0xFC后接ID、标签及描述）。

7.2 动态类型管理

ID分配：发送方动态分配短整型ID，接收方缓存ID与类型描述的映射。

复用优化：首次发送使用完整描述，后续使用ID减少数据量。

示例：

时间戳结构体的内省数据编码（部分）：
FD 00 01 80 0B 74 69 6D 65 53 74 61 6D 70 5F 74 ...

8. 示例分析

8.1 结构体编码示例

给定结构体：

structure {

byte[] value [1,2,3];

byte<16> boundedSizeArray [4,5,6,7,8];

byte[4] fixedSizeArray [9,10,11,12];

// …嵌套结构体及联合
}

编码结果：

03 01 02 03 05 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C ...

03：可变数组大小（3元素）

05：有界数组大小（5元素）

固定数组直接编码4元素。

8.2 内省数据示例

复杂结构体的内省数据通过FULL_WITH_ID_TYPE_CODE编码，包含类型ID、字段名称及嵌套结构描述。

9. 协议实现注意事项

字节序协商：TCP连接需通过控制消息协商字节序，而非依赖消息头标志。

大小限制：当前不支持≥2³¹-1元素的数组，需预留扩展接口。

内省数据缓存：接收方需维护类型ID映射表以支持复用。

性能优化：利用部分序列化（位集标记）减少数据传输量。

10. 总结

pvAccess协议通过灵活的数据编码机制和元数据管理，实现了高效、可扩展的通信能力。其设计特点包括：

类型自描述：内省数据支持动态类型解析。

传输优化：位集标记和部分序列化减少冗余数据传输。

跨平台兼容：明确的字节序协商和标准编码规则（如IEEE-754）。

未来改进方向可包括支持更大规模数据集、增强内省数据的版本兼容性，以及进一步优化变体联合的解析效率。