基于VxWorks的全IP開發(fā)平臺進程通信處理機制

摘要：給出了基于AMCC的NP7250、NPX5700和NPX5800交換套片的全IP交換平臺的構(gòu)建方案，重點介紹了在基于Vxworks的全IP交換平臺上的進程通信模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方案。模塊主要實現(xiàn)相同處理器內(nèi)和不同處理器之間進程間通信功能，進程間的通信主要依靠調(diào)度任務(wù)從郵箱中接收消息，并把消息派發(fā)到各個進程的消息隊列來實現(xiàn)，底層協(xié)議類型包括可靠通信協(xié)議(TCP)和不可靠通信協(xié)議(UDP)。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)處理器單元；消息隊列；Vxworks

引言
隨著IP技術(shù)的迅速發(fā)展，“Everything over IP”的觀念已深入人心。眾多移動通信設(shè)備制造商都致力于基于全IP交換平臺之上的3G、4G產(chǎn)品開發(fā)，基于全IP構(gòu)建開放通信體系架構(gòu)，真正作到核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)各個產(chǎn)品的模塊化、積木化。將核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)統(tǒng)一考慮，做到技術(shù)上的重用、接口上的統(tǒng)一，避免獨立開發(fā)各模塊特別是底層開發(fā)可能存在的重復(fù)勞動，實現(xiàn)全業(yè)務(wù)融合，打造一體化的可增值、可擴展的多業(yè)務(wù)集成通信平臺，已成為業(yè)界共識。在整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中，主要的目標(biāo)在于軟件支撐的統(tǒng)一性，這要求相關(guān)的硬件系統(tǒng)也需要統(tǒng)一考慮成一個硬件平臺的概念。這樣將來就可以在統(tǒng)一的軟件支撐上開發(fā)各種不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)。

1 全IP開發(fā)平臺架構(gòu)
全IP交換平臺基于Crossbar的三層交換，可根據(jù)系統(tǒng)容量需求和實際應(yīng)用要求配置。當(dāng)容量較大時，采用CrossBar+線卡方式實現(xiàn)三層交換方式，具體線卡配置的數(shù)目根據(jù)實際數(shù)據(jù)流量以及資源在各個應(yīng)用實體的利用情況確定。當(dāng)容量較小時，采用線卡互連提供三層交換。位于全IP交換平臺之上的移動通信設(shè)備單板需要實現(xiàn)的移動通信功能靠Host(主)CPU完成。本文中的全IP開發(fā)平臺選用AMCC的NP7250、PX5700和NPX5800交換套片作為硬件基礎(chǔ)，主CPU是MPC8260，主CPU上的操作系統(tǒng)是VxWorks。其中，NP7250主要實現(xiàn)級連線卡的作用，完成基本信元／包的轉(zhuǎn)發(fā)功能；NPX5700是流量控制芯片，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的輸入接納和輸出調(diào)度功能，是IP開發(fā)平臺QoS保證的核心，兩套NPX5700構(gòu)成雙向10Gbps的處理能力；NPX5800是一種交換網(wǎng)芯片，用于連接NPX5700，實現(xiàn)交換功能。
全IP交換平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，在嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks之上還有一個操作系統(tǒng)子系統(tǒng)，該層是VxWorks封裝層。嵌入式操作系統(tǒng)封裝層的目的之一是對上層應(yīng)用屏蔽底層硬件、OS、網(wǎng)絡(luò)的差別，給上層應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一規(guī)范的調(diào)用接口，大大降低了應(yīng)用軟件開發(fā)人員的開發(fā)難度，也使開發(fā)出的應(yīng)用軟件有較好的跨平臺性、可移植性、可維護性和代碼繼承性。封裝層一般會對進程管理、內(nèi)存管理、進程通信等核心功能進行重新定義和優(yōu)化，以適應(yīng)特定應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)需求。

下面以通信類嵌入式設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域為背景來討論操作系統(tǒng)子系統(tǒng)中的進程通信管理模塊設(shè)計和實現(xiàn)方案。

2 進程通信模塊設(shè)計
通信模塊為進程之間的通信提供統(tǒng)一的接口。各個處理器都處于一個以太網(wǎng)上，前臺單板之間互相可以直達，沒有中間路由，前后臺之間通過OMP轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)通信區(qū)域的不同可分為：①相同處理器內(nèi)同一任務(wù)下的進程間通信；②相同處理器內(nèi)不同任務(wù)下的進程間通信；③相同處理器內(nèi)的任務(wù)之間的通信；④相同處理器內(nèi)的進程到任務(wù)的通信；⑤相同處理器內(nèi)的任務(wù)到進程的通信；⑥不同處理器間的進程間通信。
底層協(xié)議類型包括可靠通信協(xié)議(TCP)和不可靠通信協(xié)議(UDP)。對話方式主要采用以下5種：①處理器內(nèi)廣播(內(nèi)部消息機制)；②分布式系統(tǒng)內(nèi)組播(UDP)；③分布式系統(tǒng)內(nèi)廣播(UDP)；④多對多通信(UDP)，也就是無連接的點對點通信；⑤點對點通信(TCP和內(nèi)部消息機制)。
2．1 通信處理流程
同一處理器內(nèi)任務(wù)之間通信流程：每個調(diào)度任務(wù)建立一個郵箱，其他任務(wù)也建立自己的郵箱，進程發(fā)送到另一個任務(wù)的進程的消息首先發(fā)送到目的進程所在任務(wù)的郵箱中進行緩存，然后由調(diào)度任務(wù)派發(fā)到目的進程的消息隊列中；進程到其他類型任務(wù)的消息發(fā)送到相應(yīng)任務(wù)的郵箱，其他類型的任務(wù)之間消息發(fā)送到對方郵箱。根據(jù)為應(yīng)用提供的消息類型將任務(wù)間消息發(fā)送分類。發(fā)送異步緊迫消息，將消息發(fā)送到任務(wù)消息隊列的頭部；發(fā)送異步普通消息，將消息發(fā)送到任務(wù)消息隊列的尾部。
同一任務(wù)內(nèi)的進程通信流程如圖2所示，每一個進程擁有一個消息隊列，進程向同一任務(wù)內(nèi)進程發(fā)送，通過內(nèi)部接口直接將消息掛到另一個進程的消息隊列中。進程向同一任務(wù)內(nèi)進程發(fā)送同步應(yīng)答消息，不通過任務(wù)郵箱，目的進程的狀態(tài)直接改變即可。任務(wù)內(nèi)的進程間通信不能通過任務(wù)的郵箱進行轉(zhuǎn)發(fā)，這是為了避免在郵箱滿的時候任務(wù)向自己的郵箱發(fā)送消息，導(dǎo)致任務(wù)死鎖。