基于μC/OS-II接入網(wǎng)接口的研究與設(shè)計(jì)

摘　要：首先介紹了V5接口的技術(shù)規(guī)范，分析其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)；接著，研究μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入系統(tǒng)的一些特點(diǎn)；最后提出了以μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)系統(tǒng)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)V5接口的軟件框架，并通過(guò)圖例具體說(shuō)明各個(gè)模塊的作用。對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)中有限狀態(tài)機(jī)及定時(shí)器等難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了具體討論。
關(guān)鍵詞：V5接口；實(shí)時(shí)；多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)

引　言

隨著接入網(wǎng)(AN)范圍內(nèi)多種傳輸媒介、多種接入配置和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，ITU制定了V5.1接口的G.964建議和V5.2接口的G.965建議。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定使得交換機(jī)可以通過(guò)此接口支持多種類(lèi)型的用戶(hù)接入，其開(kāi)放性使得交換機(jī)和接入網(wǎng)的技術(shù)和業(yè)務(wù)完全獨(dú)立開(kāi)來(lái)。接入網(wǎng)的發(fā)展可以不受交換機(jī)的限制，使得接入網(wǎng)市場(chǎng)完全開(kāi)放。根據(jù)速率不同，V5接口分為V5.1和V5.2接口。

V5通信接口協(xié)議

V5.1接口由單個(gè)2048kbit/S鏈路構(gòu)成，用于支持模擬電話(huà)接入以及基于64kbit/S的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)基本接入和用于半永久連接的、不加帶外信令信息的其他模擬接入或數(shù)字接入。

V5.2接口按需要可以由1～16個(gè)2048kbit/S鏈路構(gòu)成，除了支持V5.1接口提供的接入類(lèi)型外，還可支持ISDN一次群速率接入。V5.2接口由以下3層組成：第一層，物理層，由1～16個(gè)符合ITU的G.703和G.732建議的2Mbit/S的數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成。第二層，數(shù)據(jù)鏈路層，僅對(duì)C通路而言，使用的規(guī)程稱(chēng)為L(zhǎng)APV5，其目的是為了允許靈活地將不同的信息流復(fù)用到C通路上去。它又可進(jìn)一步分為兩個(gè)子層，即數(shù)據(jù)包封裝功能子層(LAPV5-EF)和數(shù)據(jù)鏈路子層(LAPV5-DL)。LAPV5-DL子層完成對(duì)V5.2協(xié)議第三層消息的復(fù)用。LAPV5-EF 子層通過(guò)映射完成對(duì)LAPV5-DL幀和ISDND通路信息的復(fù)用。第三層，協(xié)議層，包括PSTN協(xié)議、公共控制協(xié)議、鏈路控制協(xié)議、BCC協(xié)議和保護(hù)協(xié)議。PSTN協(xié)議負(fù)責(zé)處理與PSTN業(yè)務(wù)相關(guān)的信令；公共控制協(xié)議負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)兩端用戶(hù)端口狀態(tài)同步及數(shù)據(jù)指配；鏈路控制協(xié)議負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和實(shí)現(xiàn)兩端鏈路相關(guān)的控制；BCC協(xié)議負(fù)責(zé)AN和LE，協(xié)調(diào)完成2Mbit/S鏈路上的承載通路分配；保護(hù)協(xié)議在鏈路出現(xiàn)故障時(shí)提供通路的切換保護(hù)功能。第一層有限狀態(tài)機(jī)協(xié)議如圖1所示。

μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)

V5接口實(shí)現(xiàn)中包括5個(gè)核心協(xié)議的處理和管理許多定時(shí)器，所以對(duì)操作系統(tǒng)要求很高。筆者選用μC/OS-II作為其操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理及任務(wù)間通信等。μC/OS-II最多支持56個(gè)任務(wù)，任務(wù)調(diào)度采用優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度算法，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并支持SemaphorE( 信號(hào)量)、Mailbox ( 郵箱)MessageQueuE(消息隊(duì)列)等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。由于系統(tǒng)中代碼大多是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，有比較好的可移植性。

系統(tǒng)啟動(dòng)
μC/OS中，多任務(wù)內(nèi)核通過(guò)調(diào)用OSInit函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行內(nèi)核相關(guān)的初始化。OSInit函數(shù)將完成任務(wù)控塊、事件控制塊、消息隊(duì)列和內(nèi)存管理的初始化等。系統(tǒng)初始化完成后需調(diào)用OS-Start函數(shù)啟動(dòng)嵌入式內(nèi)核，開(kāi)始多任務(wù)運(yùn)行。在啟動(dòng)多任務(wù)內(nèi)核前需要至少啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)。

圖1　協(xié)議棧框架圖

多任務(wù)創(chuàng)建
在μC/OS中，每個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的，每個(gè)任務(wù)都處在以下5種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。μC/OS中通過(guò)調(diào)用OSTaskCreatE或OSTaskCreateExt函數(shù)創(chuàng)建啟動(dòng)任務(wù)。對(duì)于每個(gè)任務(wù)都有惟一的1個(gè)優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)。

任務(wù)間同步和通信
在μC/OS中，提供了消息隊(duì)列、郵箱和信號(hào)量等機(jī)制用以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間同步和通信。郵箱可以用來(lái)通知一個(gè)事件的發(fā)生(發(fā)送一條信息)。在源端的任務(wù)通過(guò)調(diào)用OSMBoxPost函數(shù)向郵箱寫(xiě)，在目的端的任務(wù)通過(guò)調(diào)用OSMBoxPend函數(shù)從郵箱讀。當(dāng)郵箱為空時(shí)調(diào)用OSMBoxPend函數(shù)的任務(wù)將被掛起。信號(hào)量是一種約定機(jī)制：兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)通過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)進(jìn)行合作，一個(gè)任務(wù)可以被迫在某一位置停止，直到它接收到一個(gè)特定的信號(hào)。信號(hào)量主要實(shí)施3種操作：一個(gè)信號(hào)量可以初始化為非負(fù)數(shù)；等待操作使信號(hào)量減1，如果值變成負(fù)數(shù)，則執(zhí)行等待的任務(wù)被阻塞；得到CPU使用權(quán)的任務(wù)signaL操作使信號(hào)量加1，如果值不是正數(shù)，則被等待操作阻塞的任務(wù)解除阻塞。

函數(shù)的可重入性
可重入函數(shù)是指一個(gè)可以同時(shí)被多個(gè)任務(wù)調(diào)用而不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的函數(shù)。在多任務(wù)環(huán)境下，所有可能被多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用的函數(shù)都必須保證其具有可重入性，此函數(shù)可以通過(guò)使用局部變量來(lái)保證其可重入性。

V5系統(tǒng)設(shè)計(jì)

V5接口協(xié)議的3層中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層部分功能由硬件實(shí)現(xiàn)。物理層可用PMC公司生產(chǎn)的大規(guī)模E1接口芯片PMC4354，它是一種可提供4路E1的接口芯片并綜合了成幀器和LIU，其重要特性包括數(shù)據(jù)鏈路接入、報(bào)警、中斷、環(huán)回和診斷。處理器選用SUMSUNG 公司的KS32C50100，它內(nèi)置2個(gè)HDLC控制器，2個(gè)定時(shí)器。特別適用在V5接口(封裝功能子層功能和HDLC協(xié)議類(lèi)似)，V5協(xié)議的第三層實(shí)現(xiàn)全部基于嵌入式系統(tǒng)編程。

軟件實(shí)現(xiàn)框架
對(duì)于V5接口的5個(gè)核心協(xié)議中的每個(gè)協(xié)議都作為一個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和管理。任務(wù)間的消息采用郵件的方式。

軟件實(shí)現(xiàn)框架包括3個(gè)模塊，如圖2所示。

OS系統(tǒng)模塊
此模塊由μC/OS-II實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括多任務(wù)調(diào)度、管理內(nèi)存分配、任務(wù)間通信和定時(shí)器。

協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊
塊主要實(shí)現(xiàn)了V5接口的5個(gè)核心協(xié)議、第1層有限狀態(tài)機(jī)協(xié)議和LAPV5協(xié)議。每個(gè)協(xié)議作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)運(yùn)行。由于V5接口在運(yùn)作過(guò)程中通話(huà)建立和拆除主要由PSTN協(xié)議和BCC協(xié)議完成，所以這2個(gè)任務(wù)需要有較高的優(yōu)先級(jí)。LAPV5任務(wù)將來(lái)自上層需要發(fā)送給LE的消息數(shù)據(jù)封裝打包并轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖2　軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

管理模塊
此模塊主要完成AN的管理相關(guān)任務(wù)。其中包括PSTN端口的狀態(tài)管理，V5界面管理，E1鏈路上承載時(shí)隙資源管理和5個(gè)核心協(xié)議C-PATH的管理。狀態(tài)管理完成鏈路和端口的狀態(tài)管理，界面管理用來(lái)獲取V5接口的設(shè)定并完成V5接口的啟動(dòng)和保護(hù)切換。另外，V5接口通過(guò)界面管理任務(wù)接受來(lái)自控制臺(tái)或網(wǎng)管系統(tǒng)的維護(hù)命令，隨時(shí)向上層網(wǎng)管報(bào)告V5接口目前的狀況。C-PATH管理用來(lái)建立和維護(hù)各個(gè)C通路。

接口的具體設(shè)計(jì)
V5接口協(xié)議中每個(gè)協(xié)議的處理流程按FSM(FinitEStatEMachine)的方式來(lái)完成。FSM 是具有馬爾可夫性的，其目前狀態(tài)僅與前一次的狀態(tài)有關(guān)，與其他歷史狀態(tài)無(wú)關(guān)。它由有限的狀態(tài)和相互之間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成，在任何時(shí)候只能處于給定數(shù)目的狀態(tài)中的一個(gè)。當(dāng)接收到一個(gè)輸入事件時(shí)，狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)輸出，同時(shí)也可能伴隨著狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，其特點(diǎn)是根據(jù)目前的消息和目前的狀態(tài)決定要做的事和以后的狀態(tài)。

每個(gè)任務(wù)用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組來(lái)維護(hù)其各個(gè)實(shí)體的狀態(tài)和其他相關(guān)的信息。

例如PSTN協(xié)議可以用如下類(lèi)似的結(jié)構(gòu)體數(shù)組

struct PSTNPORT{
bytE interfaceid；/*保存該P(yáng)SNT端口實(shí)體所屬的V5接口ID*/
unsigned intle portid；/*保存該P(yáng)STN端口實(shí)體所對(duì)應(yīng)的LE端PSTN實(shí)體ID*/
bytE statE；/*該實(shí)體的狀態(tài)*/
TIMER t1；/*保存該實(shí)體的t1，t2，t3，tr，tt定時(shí)器值*/
TIMER t2；
TIMER t3；
TIMER tr；
TIMER tt；
}

每次完成由FSM 產(chǎn)生的動(dòng)作時(shí)更新該數(shù)組，保存該實(shí)體相關(guān)的新的信息。V5接口中5個(gè)主要協(xié)議都是以FSM 的方式來(lái)運(yùn)行的。協(xié)議根據(jù)目前的狀態(tài)和收到的激勵(lì)消息在FSM 中找到需要做的動(dòng)作并完成響應(yīng)。

考慮到這種特殊的運(yùn)作方式，任務(wù)的實(shí)現(xiàn)可以以下列方式來(lái)運(yùn)行。
OSMboxCreatE( ...)；/*在任務(wù)初始化時(shí)，為該任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)郵箱，用來(lái)接收其他任務(wù)發(fā)送來(lái)的消息。*/
for( ；；)
{ bytE statE，stim ，act；
Check Timer Expired()；/*檢查T(mén)IMER是否timEout*/
OSMboxPend()；/*從該任務(wù)的郵箱中接受收到的新郵件消息*/
statE= Get Entity ()；/*從郵件消息中獲取消息實(shí)體，得到該消息是發(fā)給此協(xié)議的那一個(gè)實(shí)體的，并得到該實(shí)體的狀態(tài)。例如，PSTN協(xié)議，則要獲取此消息是發(fā)給PSTN協(xié)議的那個(gè)端口*/
stim = Get Stim()；/*從郵件消息中獲取用于FSM 的激勵(lì)消息*/
act= Do FSM(statE，stim)；/*根據(jù)前面獲取的狀態(tài)和激勵(lì)消息，得到需要做的動(dòng)作和下一個(gè)狀態(tài).*/
DoAct(act)；/*完成由FSM 指定的工作，并轉(zhuǎn)移該實(shí)體的狀態(tài).*/
OSMboxPost()；/*根據(jù)需要發(fā)送消息通知其他協(xié)議任務(wù)*/
}

各個(gè)協(xié)議的FSM 方式運(yùn)作實(shí)現(xiàn)都可按上面的框架來(lái)完成。

借助于μC/OS-II系統(tǒng)API函數(shù)OSMboxPend，可以從郵箱中收取郵件。當(dāng)郵箱中有新的郵件時(shí)，該函數(shù)返回指針指向新的郵件。若沒(méi)有新郵件，該函數(shù)將掛起當(dāng)前任務(wù)，把CPU時(shí)間讓給其他任務(wù)使用。在DoAct函數(shù)的處理中，用系統(tǒng)的API函數(shù)OSMboxPost發(fā)送郵件給其他任務(wù)的郵箱。

定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)
每個(gè)任務(wù)有一個(gè)timer鏈表保存該任務(wù)使用的所有定時(shí)器。定時(shí)器鏈表具有以下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

structv5_timer
{
bytE timerid；/*標(biāo)示每個(gè)TIMER*/
unsigned long period；/*標(biāo)示定時(shí)器的timeout時(shí)長(zhǎng)*/
bytE timer typE；/*標(biāo)示定時(shí)器的類(lèi)型*/
unsignedlong starttimE；/*標(biāo)示定時(shí)器啟動(dòng)的系統(tǒng)時(shí)間*/
bytE t_flag ；/*保留用的標(biāo)記*/
}

要設(shè)定一個(gè)定時(shí)器只需新添加一個(gè)TIMER到鏈表中。調(diào)用系統(tǒng)APIOSTimeGet()獲取目前系統(tǒng)時(shí)間作為定期器的啟動(dòng)時(shí)間填入定時(shí)器結(jié)構(gòu)體的starttimE成員中，給period賦值指定定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)。任務(wù)循環(huán)的開(kāi)始部分在接收郵件消息前，將檢查鏈表，通過(guò)比較每個(gè)TIMER的starttime和目前系統(tǒng)時(shí)間的差值來(lái)判斷定時(shí)器是否到期，如果有定時(shí)器到期則插入一條TIMEOUT消息到本任務(wù)的郵箱。

結(jié)束語(yǔ)

V5接口在通信網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的應(yīng)用，筆者探討了在開(kāi)放源碼的μC/OS操作系統(tǒng)上如何實(shí)現(xiàn)V5接口，提出了V5接口的軟件實(shí)現(xiàn)框架和具體設(shè)計(jì)方案。在商業(yè)應(yīng)用上可大大降低開(kāi)發(fā)成本，對(duì)開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)人員能有所幫助。