基于SDL的通信協(xié)議開發(fā)平臺(tái)

l 引 言
    SDL是一種用來說明和描述系統(tǒng)的國際通用的標(biāo)準(zhǔn)化語言。它將直觀的圖形和固定的格式結(jié)合起來，使開發(fā)人員可以簡潔高效地將規(guī)范和協(xié)議描述出來，SDL的應(yīng)用，可以縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)的差錯(cuò)率，提高軟件質(zhì)量?，F(xiàn)在越來越多的電信設(shè)備開發(fā)商開始使用SDL進(jìn)行協(xié)議軟件開發(fā)。
    但SDL并非編程語言，用SDL描述系統(tǒng)以后最終需要將SDL系統(tǒng)映射成實(shí)際程序才有意義，而目前一般是借助于國外的一些開發(fā)工具如SDT提供的SDL和C語言的轉(zhuǎn)換工具來完成，開發(fā)人員通過編寫SDL系統(tǒng)和環(huán)境的接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)所生成的代碼和RTOS的集成。這種方法提高了協(xié)議開發(fā)的效率，但也有一些缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)依賴于工具，脫離工具則代碼難以維護(hù)、SDL生成的代碼非常復(fù)雜，不便于修改和閱讀，所以在實(shí)際應(yīng)用中這些工具往往用于協(xié)議驗(yàn)證。
    為了提高協(xié)議開發(fā)效率，我們?cè)跓o線通信系統(tǒng)開發(fā)中建立一套自主的基于SDL的通信協(xié)議開發(fā)平臺(tái)，通過這個(gè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)SDL基本元素進(jìn)程以及進(jìn)程之間的通信和RTOS任務(wù)之間的通信，并集成了協(xié)議中常用的定時(shí)器管理功能、內(nèi)存管理功能。

2 SDL介紹
    SDL(Specification and Description Language)是1976年至1992年由ITU—T發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化的一種描述系統(tǒng)行為的語言，SDL的數(shù)學(xué)模型是擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)(EFSM)，是一種高層泛用型的用于事件驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)和通信系統(tǒng)的描述語言，電信系統(tǒng)和協(xié)議是它主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。SDL有圖形和文本兩種表示形式，SDL／GR和SDL／PR。它既可以用來對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行說明，也可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為，因而應(yīng)用范圍很廣，可以用于協(xié)議工程的各個(gè)階段。SDL采用一種層次結(jié)構(gòu)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述和說明，結(jié)構(gòu)和功能被清楚地劃分。系統(tǒng)可以分為多個(gè)功能塊，功能塊表示系統(tǒng)內(nèi)部功能相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)模塊，它們之間通過信道相連。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小，每個(gè)功能塊還可以分為子功能塊或進(jìn)程。與傳統(tǒng)FSM類似，SDL進(jìn)程具有有限數(shù)量的被有限數(shù)量躍遷連接著的宏控制狀態(tài)。通過一個(gè)輸入信號(hào)(也可稱使能條件)的接收、事先設(shè)置的定時(shí)器的定時(shí)或當(dāng)前狀態(tài)變量(連續(xù)信號(hào))值所指定條件的確認(rèn)，躍遷能夠被觸發(fā)。在SDL中，定義了一些基本的數(shù)據(jù)類型和操作，以及構(gòu)造新類型的機(jī)制，使得SDL擁有和C／C++語言一樣的數(shù)據(jù)操作能力，因此它可以用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3 SDL通信協(xié)議開發(fā)平臺(tái)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)
    SDL通信協(xié)議開發(fā)平臺(tái)建立在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，主要包括4個(gè)模塊：進(jìn)程管理、消息管理、定時(shí)器管理、緩存管理，如圖1所示。其中進(jìn)程管理模塊提供了SDL進(jìn)程的創(chuàng)建、刪除等庫函數(shù)，并提供了SDL功能塊和進(jìn)程的描述表，通過這張表格可以確定任務(wù)塊和進(jìn)程的從屬關(guān)系。在消息管理模塊提供了進(jìn)程間、進(jìn)程和功能塊間、進(jìn)程和外部任務(wù)間的消息通信函數(shù)；定時(shí)器管理和緩沖管理模塊則提供了定時(shí)器的創(chuàng)建、刪除函數(shù)以及緩沖的創(chuàng)建和釋放函數(shù)。

3．1 功能塊和進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)
3．1．1 功能塊實(shí)現(xiàn)
    采用SDL描述的系統(tǒng)包含若干個(gè)功能塊(block)，每個(gè)功能塊內(nèi)至少有一個(gè)進(jìn)程(process)，功能塊是用RTOS的任務(wù)直接實(shí)現(xiàn)的不需要開發(fā)者單獨(dú)創(chuàng)建，只需在功能塊中預(yù)先定義包含哪些進(jìn)程，SDL系統(tǒng)在初始化時(shí)直接可以創(chuàng)建功能塊。每個(gè)功能塊內(nèi)進(jìn)程的并發(fā)調(diào)度是由功能塊的一個(gè)調(diào)度函數(shù)實(shí)現(xiàn)，而功能塊之間的調(diào)度則由操作系統(tǒng)完成。功能塊任務(wù)內(nèi)除了完成個(gè)進(jìn)程狀態(tài)機(jī)的輪詢調(diào)度外，還負(fù)責(zé)接收外部環(huán)境的消息并分發(fā)消息到各個(gè)進(jìn)程狀態(tài)機(jī)中；除此外功能塊任務(wù)還負(fù)責(zé)本功能塊內(nèi)所有進(jìn)程的定時(shí)器管理工作。功能塊內(nèi)部工作流程圖如圖2所示。

3．1．2 進(jìn)程狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
    進(jìn)程是并行執(zhí)行的擴(kuò)展的有限狀態(tài)機(jī)，它規(guī)定一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)程基本上是處于等待信號(hào)的狀態(tài)，收到信號(hào)則立刻進(jìn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，進(jìn)程的這一概念非常類似于操作系統(tǒng)中進(jìn)程或者任務(wù)的概念。進(jìn)程之間，進(jìn)程與系統(tǒng)環(huán)境之間通過異步信號(hào)進(jìn)行通信，這些信號(hào)可攜帶不同類型的參數(shù)。雖然進(jìn)程的特點(diǎn)和RTOS中任務(wù)有點(diǎn)相似，但實(shí)際開發(fā)中一個(gè)SDL的進(jìn)程會(huì)同時(shí)存在上百個(gè)甚至上千個(gè)，這顯然不能用任務(wù)去直接實(shí)現(xiàn)SDL進(jìn)程。
    在SDL平臺(tái)上采用一個(gè)C函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)SDL的進(jìn)程，該進(jìn)程所在的功能塊負(fù)責(zé)調(diào)度該進(jìn)程的運(yùn)行。在SDL語言中進(jìn)程可以看作是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)躍遷是由一系列信號(hào)觸發(fā)的，在進(jìn)程的入口函數(shù)采用swicht—case架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。在平臺(tái)規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程狀態(tài)機(jī)函數(shù)模板，協(xié)議開發(fā)中每個(gè)進(jìn)程按照這個(gè)模板編寫SDL進(jìn)程的代碼。
3．1．3 進(jìn)程并發(fā)性的實(shí)現(xiàn)
    進(jìn)程并發(fā)性是通過在功能塊任務(wù)內(nèi)的進(jìn)程調(diào)度函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，在調(diào)度函數(shù)內(nèi)按照消息的觸發(fā)次序輪流調(diào)用進(jìn)程的狀態(tài)機(jī)函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)碰到一個(gè)狀態(tài)機(jī)函數(shù)，需要并發(fā)調(diào)用的情況，比如在WiMAX系統(tǒng)中每個(gè)用戶站入網(wǎng)過程都是一樣的，包含下行同步參數(shù)獲取、上行參數(shù)獲取、初始測(cè)距、能力協(xié)商、注冊(cè)等狀態(tài)躍遷過程，所以對(duì)基站來說只要一個(gè)進(jìn)程狀態(tài)機(jī)就可以完成一個(gè)用戶站的入網(wǎng)接入過程，但對(duì)基站來說又需要同時(shí)接人多個(gè)用戶，這就需要進(jìn)程狀態(tài)機(jī)函數(shù)允許被重用，就像面向?qū)ο缶褪穷惡蛯?duì)象的關(guān)系，我們把這種需要被重用的進(jìn)程稱做進(jìn)程類型，而每個(gè)實(shí)際使用的進(jìn)程稱作進(jìn)程實(shí)例，在協(xié)議開發(fā)過程中開發(fā)者調(diào)用平臺(tái)提供接口函數(shù)就可以創(chuàng)建一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程實(shí)例。在程序中要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)函數(shù)的重用就需要解決函數(shù)的重入問題，我們采用在每個(gè)狀態(tài)機(jī)函數(shù)中保留一個(gè)私有存儲(chǔ)區(qū)方法解決函數(shù)重人過程中私有變量的保存問題，如圖3所示。

3．2 通信機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
    在SDL中系統(tǒng)通過信道與環(huán)境連接。系統(tǒng)由許多用信道連接起來的功能塊組成，每個(gè)功能塊相對(duì)于其他功能塊而言是獨(dú)立的。在兩個(gè)不同功能塊中的進(jìn)程之間，通信的惟一手段是靠發(fā)送信號(hào)，信號(hào)通過信道來傳遞。信號(hào)是系統(tǒng)的不同功能塊之間或功能塊和環(huán)境之間進(jìn)行通信的手段。
    根據(jù)信號(hào)發(fā)送的目的采用兩種不同方式實(shí)現(xiàn)SDL的通信：
    (1)同一功能塊內(nèi)部的進(jìn)程通訊，這種情況下進(jìn)程之間的通信是由功能塊內(nèi)部的消息分發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的；
    (2)不同功能塊之間進(jìn)程的通信，在這種情況下先通過調(diào)用操作系統(tǒng)的消息發(fā)送機(jī)制將消息發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程所在功能塊，由功能塊再分發(fā)給進(jìn)程。
    這種兩種方式不管是哪種方式都使用了統(tǒng)一消息發(fā)送接口函數(shù)，對(duì)開發(fā)者來說是透明的。
3．3 定時(shí)器管理
    定時(shí)器是SDL語言中一個(gè)重要元素在通信協(xié)議開發(fā)中被大量應(yīng)用，比如在WiMAX系統(tǒng)開發(fā)中周期測(cè)距需要一個(gè)定時(shí)器周期觸發(fā)周期測(cè)距進(jìn)程進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的檢測(cè)，在網(wǎng)口地址過濾中需要周期進(jìn)行地址老化。在SDL協(xié)議開發(fā)平臺(tái)中，我們將定時(shí)器綁定在進(jìn)程狀態(tài)機(jī)上，通過靜態(tài)分配的方法將在平臺(tái)初始化時(shí)分配定時(shí)器給每個(gè)進(jìn)程，定時(shí)器的定時(shí)功能由進(jìn)程所在的功能塊任務(wù)維護(hù)，這種方法避免了采用一個(gè)任務(wù)管理所有定時(shí)器帶來任務(wù)負(fù)荷過大的問題。另外為了降低功能塊的任務(wù)負(fù)荷，在功能任務(wù)內(nèi)沒有采用傳統(tǒng)的在一個(gè)固定tick周期內(nèi)檢查是否有定時(shí)器超時(shí)的方法，而是利用功能塊任務(wù)已經(jīng)有的等待外部任務(wù)消息超時(shí)來實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的定時(shí)檢查。具體說就是在SDL的功能任務(wù)內(nèi)采用差值定時(shí)的方法維護(hù)定時(shí)器，在每個(gè)功能塊任務(wù)內(nèi)維護(hù)一個(gè)定時(shí)器鏈表，當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)就插入到這個(gè)定時(shí)器鏈表中并根據(jù)時(shí)間進(jìn)行排序。在功能塊任務(wù)等待外部消息超時(shí)后就檢查是否鏈表中有定時(shí)器超時(shí)，如果有則向相應(yīng)的進(jìn)程發(fā)送超時(shí)消息_并刪除該定時(shí)器，然后更新下一個(gè)定時(shí)器超時(shí)周期并把這個(gè)周期設(shè)置成等待外部消息超時(shí)的時(shí)間。采用這種定時(shí)器管理機(jī)制的好處是定時(shí)器管理任務(wù)只在下一個(gè)定時(shí)器超時(shí)的時(shí)候被激活，而不需要每隔一個(gè)固定周期就需要激活去檢查定時(shí)器鏈表，大大節(jié)省了任務(wù)的切換時(shí)間。

4 結(jié) 語
    基于SDL協(xié)議開發(fā)平臺(tái)提供一套將SDL語言直接映射成協(xié)議代碼的高效方法，使通信協(xié)議軟件開發(fā)人員在協(xié)議開發(fā)過程中將主要精力集中在前期的SDL對(duì)系統(tǒng)的描述階段，而無需關(guān)心系統(tǒng)底層的實(shí)現(xiàn)，較好地提高了協(xié)議開發(fā)的效率和代碼的可維護(hù)性、可移植性，這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在基于IEEE802．16d的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的開發(fā)中得到了充分的體現(xiàn)。目前SDL協(xié)議開發(fā)平臺(tái)還只是實(shí)現(xiàn)了基本的SDL進(jìn)程、功能塊、定時(shí)器等元素，對(duì)SDL中通信只實(shí)現(xiàn)了消息的交互，沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端過程(Remote Pro—eedure)調(diào)用和遠(yuǎn)端變量(Remote Variable)，這會(huì)限制SDL平臺(tái)在一些復(fù)雜通信協(xié)議開發(fā)中的使用，針對(duì)這些問題我們將在后續(xù)的工作逐步完善。