基于ＳＤＬ的通信協議開發平臺

摘 要：SDL當前已經普遍應用在通信協議開發中，介紹了一個基于SDL的通信協議開發平臺框架和平臺中對SDL關鍵元素的實現方法，通過這個平臺提高了通信協議開發中從SDL描述到代碼開發的效率和代碼的可維護性。

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關鍵詞：SDL;通信協議;進程;狀態機

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-026-03

Communication Protocol Development Platform Based on SDL

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SHUI Quan1，2，SONG Bo1，NI Xiaoqing2

(1.Hefei University of Technology，Hefei，230009，China；2.No.38 Institute of China Electronic Technology Corporation，Hefei，230088，China)

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Abstract：SDL language has been applied in communication protocol development widely.This paper inroduces a common platform based on SDL and the way of realization，by using the platform，the maintance capacity from SDL to development efficiency is improved in communication protocol development.

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Keywords：SDL;communicaiton protocol;process;FSM

1 引 言

SDL是一種用來說明和描述系統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合起來，使開發人員可以簡潔高效地將規范和協議描述出來，SDL的應用可以縮短開發周期，降低系統的差錯率，提高軟件質量?，F在越來越多的電信設備開發商開始使用SDL進行協議軟件開發。

但SDL并非編程語言，用SDL描述系統以后最終需要將SDL系統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工具如SDT提供的SDL和C語言的轉換工具來完成，開發人員通過編寫SDL系統和環境的接口函數來實現所生成的代碼和RTOS的集成。這種方法提高了協議開發的效率，但也有一些缺點：設計依賴于工具，脫離工具則代碼難以維護、SDL生成的代碼非常復雜，不便于修改和閱讀，所以在實際應用中這些工具往往用于協議驗證。

為了提高協議開發效率，我們在無線通信系統開發中建立一套自主的基于SDL的通信協議開發平臺，通過這個平臺可以實現SDL基本元素進程以及進程之間的通信和RTOS任務之間的通信，并集成了協議中常用的定時器管理功能、內存管理功能。

2 SDL介紹

SDL(Specification and Description Language) 是1976年至1992年由ITU-T發展和標準化的一種描述系統行為的語言，SDL的數學模型是擴展有限狀態機(EFSM)，是一種高層泛用型的用于事件驅動、實時和通信系統的描述語言，電信系統和協議是它主要應用領域之一。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的功能進行說明，也可以描述系統的內部結構和行為，因而應用范圍很廣，可以用于協議工程的各個階段。SDL采用一種層次結構來對系統進行描述和說明，結構和功能被清楚地劃分。系統可以分為多個功能塊，功能塊表示系統內部功能相對獨立的幾個模塊，它們之間通過信道相連。根據系統規模的大小，每個功能塊還可以分為子功能塊或進程。與傳統FSM 類似，SDL進程具有有限數量的被有限數量躍遷連接著的宏控制狀態。通過一個輸入信號(也可稱使能條件)的接收、事先設置的定時器的定時或當前狀態變量(連續信號)值所指定條件的確認，躍遷能夠被觸發。在SDL中，定義了一些基本的數據類型和操作，以及構造新類型的機制，使得SDL擁有和C/C++語言一樣的數據操作能力，因此它可以用于系統的設計和實現。

3 SDL通信協議開發平臺構成和實現

SDL通信協議開發平臺建立在嵌入式實時操作系統上，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進程的創建、刪除等庫函數，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塊和進程的從屬關系。在消息管理模塊提供了進程間、進程和功能塊間、進程和外部任務間的消息通信函數；定時器管理和緩沖管理模塊則提供了定時器的創建、刪除函數以及緩沖的創建和釋放函數。

3.1.1 功能塊實現

采用SDL描述的系統包含若干個功能塊(block)，每個功能塊內至少有一個進程(process)，功能塊是用RTOS的任務直接實現的不需要開發者單獨創建，只需在功能塊中預先定義包含哪些進程，SDL系統在初始化時直接可以創建功能塊。每個功能塊內進程的并發調度是由功能塊的一個調度函數實現，而功能塊之間的調度則由操作系統完成。功能塊任務內除了完成個進程狀態機的輪詢調度外，還負責接收外部環境的消息并分發消息到各個進程狀態機中；除此外功能塊任務還負責本功能塊內所有進程的定時器管理工作。功能塊內部工作流程圖如圖2所示。

3.1.2 進程狀態機的實現

進程是并行執行的擴展的有限狀態機，它規定一個系統的動態行為，進程基本上是處于等待信號的狀態，收到信號則立刻進行狀態之間的轉移，進程的這一概念非常類似于操作系統中進程或者任務的概念。進程之間，進程與系統環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。雖然進程的特點和RTOS中任務有點相似，但實際開發中一個SDL的進程會同時存在上百個甚至上千個，這顯然不能用任務去直接實現SDL進程。

在SDL平臺上采用一個C函數對應一個SDL的進程，該進程所在的功能塊負責調度該進程的運行。在SDL語言中進程可以看作是一個有限狀態機，狀態機的狀態躍遷是由一系列信號觸發的，在進程的入口函數采用swicht-case架構的實現狀態機。在平臺規定了一個標準的進程狀態機函數模板，協議開發中每個進程按照這個模板編寫SDL進程的代碼。

3.1.3 進程并發性的實現

進程并發性是通過在功能塊任務內的進程調度函數實現的，在調度函數內按照消息的觸發次序輪流調用進程的狀態機函數。在實際應用中還會碰到一個狀態機函數，需要并發調用的情況，比如在WiMAX系統中每個用戶站入網過程都是一樣的，包含下行同步參數獲取、上行參數獲取、初始測距、能力協商、注冊等狀態躍遷過程，所以對基站來說只要一個進程狀態機就可以完成一個用戶站的入網接入過程，但對基站來說又需要同時接入多個用戶，這就需要進程狀態機函數允許被重用，就像面向對象就是類和對象的關系，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，在協議開發過程中開發者調用平臺提供接口函數就可以創建一個或者多個進程實例。在程序中要實現狀態機函數的重用就需要解決函數的重入問題，我們采用在每個狀態機函數中保留一個私有存儲區方法解決函數重入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

在SDL中系統通過信道與環境連接。系統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送信號，信號通過信道來傳遞。信號是系統的不同功能塊之間或功能塊和環境之間進行通信的手段。

根據信號發送的目的采用兩種不同方式實現SDL的通信:

(1) 同一功能塊內部的進程通訊，這種情況下進程之間的通信是由功能塊內部的消息分發機制實現的；

(2) 不同功能塊之間進程的通信，在這種情況下先通過調用操作系統的消息發送機制將消息發送給目標進程所在功能塊，由功能塊再分發給進程。

這種兩種方式不管是哪種方式都使用了統一消息發送接口函數，對開發者來說是透明的。

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議開發中被大量應用，比如在WiMAX系統開發中周期測距需要一個定時器周期觸發周期測距進程進行信號質量的檢測，在網口地址過濾中需要周期進行地址老化。在SDL協議開發平臺中，我們將定時器綁定在進程狀態機上，通過靜態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維護，這種方法避免了采用一個任務管理所有定時器帶來任務負荷過大的問題。另外為了降低功能塊的任務負荷，在功能任務內沒有采用傳統的在一個固定tick周期內檢查是否有定時器超時的方法，而是利用功能塊任務已經有的等待外部任務消息超時來實現定時器的定時檢查。具體說就是在SDL的功能任務內采用差值定時的方法維護定時器，在每個功能塊任務內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時間進行排序。在功能塊任務等待外部消息超時后就檢查是否鏈表中有定時器超時，如果有則向相應的進程發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，大大節省了任務的切換時間。

4 結 語

基于SDL協議開發平臺提供一套將SDL語言直接映射成協議代碼的高效方法，使通信協議軟件開發人員在協議開發過程中將主要精力集中在前期的SDL對系統的描述階段，而無需關心系統底層的實現，較好地提高了協議開發的效率和代碼的可維護性、可移植性，這些優點已經在基于IEEE802.16d的固定寬帶無線接入系統的開發中得到了充分的體現。目前SDL協議開發平臺還只是實現了基本的SDL進程、功能塊、定時器等元素，對SDL中通信只實現了消息的交互，沒有實現遠端過程(Remote Procedure)調用和遠端變量(Remote Variable)，這會限制SDL平臺在一些復雜通信協議開發中的使用，針對這些問題我們將在后續的工作逐步完善。

參 考 文 獻

［1］Sridhar T.Designing Embedded Communications Software［M］.US.:CMP Book，2003.

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［2］ITU2T Z.100.Specification and Description Language SDL［Z］.1999.

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［3］宋瑾鈺，魏仰蘇.SDL語言動態語義模型的研究［J］.計算機應用，2004，24(11):50-51.

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［4］劉宇紅，白偉.SDL語言及其在通信系統中的應用［J］.通信技術，2002(12):82-83.

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作者簡介 水 泉 男，1975年出生，工程師，碩士研究生。研究方向為嵌入式系統/寬帶無線通信。

宋 波 男，1969年出生，高級工程師，碩士。研究方向為無線通信。

倪曉清 女，1973年出生，工程師，本科。研究方向為無線通信。