基于SDL的通信協(xié)議開發(fā)平臺

l 引 言
    SDL是一種用來說明和描述系統(tǒng)的國際通用的標準化語言。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：設(shè)計依賴于工具，脫離工具則代碼難以維護、SDL生成的代碼非常復(fù)雜，不便于修改和閱讀，所以在實際應(yīng)用中這些工具往往用于協(xié)議驗證。
    為了提高協(xié)議開發(fā)效率，我們在無線通信系統(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，通過這個平臺可以實現(xiàn)SDL基本元素進程以及進程之間的通信和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)展和標準化的一種描述系統(tǒng)行為的語言，SDL的數(shù)學(xué)模型是擴展有限狀態(tài)機(EFSM)，是一種高層泛用型的用于事件驅(qū)動、實時和通信系統(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。它既可以用來對系統(tǒng)的功能進行說明，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)議工程的各個階段。SDL采用一種層次結(jié)構(gòu)來對系統(tǒng)進行描述和說明，結(jié)構(gòu)和功能被清楚地劃分。系統(tǒng)可以分為多個功能塊，功能塊表示系統(tǒng)內(nèi)部功能相對獨立的幾個模塊，它們之間通過信道相連。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小，每個功能塊還可以分為子功能塊或進程。與傳統(tǒng)FSM類似，SDL進程具有有限數(shù)量的被有限數(shù)量躍遷連接著的宏控制狀態(tài)。通過一個輸入信號(也可稱使能條件)的接收、事先設(shè)置的定時器的定時或當前狀態(tài)變量(連續(xù)信號)值所指定條件的確認，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)計和實現(xiàn)。

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

3．1 功能塊和進程的實現(xiàn)
3．1．1 功能塊實現(xiàn)
    采用SDL描述的系統(tǒng)包含若干個功能塊(block)，每個功能塊內(nèi)至少有一個進程(process)，功能塊是用RTOS的任務(wù)直接實現(xiàn)的不需要開發(fā)者單獨創(chuàng)建，只需在功能塊中預(yù)先定義包含哪些進程，SDL系統(tǒng)在初始化時直接可以創(chuàng)建功能塊。每個功能塊內(nèi)進程的并發(fā)調(diào)度是由功能塊的一個調(diào)度函數(shù)實現(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)除了完成個進程狀態(tài)機的輪詢調(diào)度外，還負責(zé)接收外部環(huán)境的消息并分發(fā)消息到各個進程狀態(tài)機中；除此外功能塊任務(wù)還負責(zé)本功能塊內(nèi)所有進程的定時器管理工作。功能塊內(nèi)部工作流程圖如圖2所示。

3．1．2 進程狀態(tài)機的實現(xiàn)
    進程是并行執(zhí)行的擴展的有限狀態(tài)機，它規(guī)定一個系統(tǒng)的動態(tài)行為，進程基本上是處于等待信號的狀態(tài)，收到信號則立刻進行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，進程的這一概念非常類似于操作系統(tǒng)中進程或者任務(wù)的概念。進程之間，進程與系統(tǒng)環(huán)境之間通過異步信號進行通信，這些信號可攜帶不同類型的參數(shù)。雖然進程的特點和RTOS中任務(wù)有點相似，但實際開發(fā)中一個SDL的進程會同時存在上百個甚至上千個，這顯然不能用任務(wù)去直接實現(xiàn)SDL進程。
    在SDL平臺上采用一個C函數(shù)對應(yīng)一個SDL的進程，該進程所在的功能塊負責(zé)調(diào)度該進程的運行。在SDL語言中進程可以看作是一個有限狀態(tài)機，狀態(tài)機的狀態(tài)躍遷是由一系列信號觸發(fā)的，在進程的入口函數(shù)采用swicht—case架構(gòu)的實現(xiàn)狀態(tài)機。在平臺規(guī)定了一個標準的進程狀態(tài)機函數(shù)模板，協(xié)議開發(fā)中每個進程按照這個模板編寫SDL進程的代碼。
3．1．3 進程并發(fā)性的實現(xiàn)
    進程并發(fā)性是通過在功能塊任務(wù)內(nèi)的進程調(diào)度函數(shù)實現(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)用進程的狀態(tài)機函數(shù)。在實際應(yīng)用中還會碰到一個狀態(tài)機函數(shù)，需要并發(fā)調(diào)用的情況，比如在WiMAX系統(tǒng)中每個用戶站入網(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、初始測距、能力協(xié)商、注冊等狀態(tài)躍遷過程，所以對基站來說只要一個進程狀態(tài)機就可以完成一個用戶站的入網(wǎng)接入過程，但對基站來說又需要同時接人多個用戶，這就需要進程狀態(tài)機函數(shù)允許被重用，就像面向?qū)ο缶褪穷惡蛯ο蟮年P(guān)系，我們把這種需要被重用的進程稱做進程類型，而每個實際使用的進程稱作進程實例，在協(xié)議開發(fā)過程中開發(fā)者調(diào)用平臺提供接口函數(shù)就可以創(chuàng)建一個或者多個進程實例。在程序中要實現(xiàn)狀態(tài)機函數(shù)的重用就需要解決函數(shù)的重入問題，我們采用在每個狀態(tài)機函數(shù)中保留一個私有存儲區(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 通信機制的實現(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，每個功能塊相對于其他功能塊而言是獨立的。在兩個不同功能塊中的進程之間，通信的惟一手段是靠發(fā)送信號，信號通過信道來傳遞。信號是系統(tǒng)的不同功能塊之間或功能塊和環(huán)境之間進行通信的手段。
    根據(jù)信號發(fā)送的目的采用兩種不同方式實現(xiàn)SDL的通信：
    (1)同一功能塊內(nèi)部的進程通訊，這種情況下進程之間的通信是由功能塊內(nèi)部的消息分發(fā)機制實現(xiàn)的；
    (2)不同功能塊之間進程的通信，在這種情況下先通過調(diào)用操作系統(tǒng)的消息發(fā)送機制將消息發(fā)送給目標進程所在功能塊，由功能塊再分發(fā)給進程。
    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)，對開發(fā)者來說是透明的。
3．3 定時器管理
    定時器是SDL語言中一個重要元素在通信協(xié)議開發(fā)中被大量應(yīng)用，比如在WiMAX系統(tǒng)開發(fā)中周期測距需要一個定時器周期觸發(fā)周期測距進程進行信號質(zhì)量的檢測，在網(wǎng)口地址過濾中需要周期進行地址老化。在SDL協(xié)議開發(fā)平臺中，我們將定時器綁定在進程狀態(tài)機上，通過靜態(tài)分配的方法將在平臺初始化時分配定時器給每個進程，定時器的定時功能由進程所在的功能塊任務(wù)維護，這種方法避免了采用一個任務(wù)管理所有定時器帶來任務(wù)負荷過大的問題。另外為了降低功能塊的任務(wù)負荷，在功能任務(wù)內(nèi)沒有采用傳統(tǒng)的在一個固定tick周期內(nèi)檢查是否有定時器超時的方法，而是利用功能塊任務(wù)已經(jīng)有的等待外部任務(wù)消息超時來實現(xiàn)定時器的定時檢查。具體說就是在SDL的功能任務(wù)內(nèi)采用差值定時的方法維護定時器，在每個功能塊任務(wù)內(nèi)維護一個定時器鏈表，當定時器啟動時就插入到這個定時器鏈表中并根據(jù)時間進行排序。在功能塊任務(wù)等待外部消息超時后就檢查是否鏈表中有定時器超時，如果有則向相應(yīng)的進程發(fā)送超時消息_并刪除該定時器，然后更新下一個定時器超時周期并把這個周期設(shè)置成等待外部消息超時的時間。采用這種定時器管理機制的好處是定時器管理任務(wù)只在下一個定時器超時的時候被激活，而不需要每隔一個固定周期就需要激活去檢查定時器鏈表，大大節(jié)省了任務(wù)的切換時間。

4 結(jié) 語
    基于SDL協(xié)議開發(fā)平臺提供一套將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對系統(tǒng)的描述階段，而無需關(guān)心系統(tǒng)底層的實現(xiàn)，較好地提高了協(xié)議開發(fā)的效率和代碼的可維護性、可移植性，這些優(yōu)點已經(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)平臺還只是實現(xiàn)了基本的SDL進程、功能塊、定時器等元素，對SDL中通信只實現(xiàn)了消息的交互，沒有實現(xiàn)遠端過程(Remote Pro—eedure)調(diào)用和遠端變量(Remote Variable)，這會限制SDL平臺在一些復(fù)雜通信協(xié)議開發(fā)中的使用，針對這些問題我們將在后續(xù)的工作逐步完善。