2.2.3　嵌入式通信软件设计

1.嵌入式通信软件的组成

（1）嵌入式通信软件构建类型

广义地划分，通信系统有两类软件构件：协议软件（应用软件）和系统软件。协议软件实现协议规范；而系统软件（含基础软件）通常包括一个实时操作系统和管理硬件的基础软件。

协议软件实现协议规范中详细规定的协议。规范由一些国际标准化组织制定，如ISO、IEEE、ITU-T等。协议实现通常基于状态事件机，也叫状态机。状态机是协议实现的核心，其形式通常为一状态事件迁移图，记录一系列规则来指出在某一事件下应执行的动作。

基础软件包括缓冲区管理、动态内存管理、定时器管理、资源管理、模块间的通信，其他软件模块的监视、硬件模块的状态管理等。系统软件包括实时操作系统和设备驱动程序等。

（2）嵌入式通信软件设计考虑

①硬件体系结构。

②RTOS是否选定。

③需要什么样的性能。

④需要实现那些协议。

⑤实现时要使用哪些全局数据结构和表。

⑥需要什么样的缓冲区管理和定时器管理。

⑦告警、统计处理机制。

⑧系统测试方法。

2.通信软件结构模型

（1）通信系统软件结构模型（见图2-2）

（2）系统块与功能块关系模型

系统块由多个功能块组成。在这些功能块里，只有一块功能块与环境交互，它收集环境中发生的事件，把它们转换成可以处理的消息，发给相应的进程。同时，它还接收各功能块中进程发往环境的消息，把它们转换成硬件可以执行的动作或操作系统的系统调用。

3.通信系统协议软件实现

（1）状态机

协议是通信系统功能的核心，而协议实现的核心是状态机。协议有些是有状态的，有些是无状态的。如IP转发是无状态的，其转发动作的执行不依赖以前的行为或数据包。而7号信令系统中的TUP协议是有状态的，其呼叫流程是和以前的行为或数据包密切相关的。

（2）协议数据单元处理

①PDU预处理：主要包括包文法检查及校验和验证等工作。

②给状态机的事件：预处理完成确定包的类型，并将适当的事件传给状态机，状态机完成数据包的解析，将协议数据转换为编程数据，状态机根据消息类型及消息携带的具体参数执行下一步动作。

③PDU传输：状态机完成相应动作后将产生的结果以消息的形式，结合具体所需参数，利用PDU组包功能，将编程数据转化为协议数据，发送到线路上，传送给对方。因此，概括地讲，协议数据单元处理就是PDU的校验、组包及解包过程，该步骤直接影响状态机的执行。

（3）协议接口

协议任务并非孤立存在或执行，需要和系统环境中的其他成分接口和交互包括：

①实时操作系统；

②存储管理；

③缓冲区管理；

④时间管理；

⑤事件管理；

⑥进程间通信；

⑦驱动程序接口；

⑧配置与控制。

（4）协议软件数据结构

①表：表主要有四类。

●　配置：用于设置操作参数和边界的读/写或只读。例如，口令就是配置参数。

●　控制：用于改变通信软件模块的读/写信息。例如，开启或关断协议，主备用切换标志设置等就是控制。

●　状态：详细反映当前操作状态的只读信息。例如，HDLC链路的运行状态就是状态变量。

●　统计：模块记数或监视到的只读信息。例如，对一个对模块接收或发送的报文数记数的变量就是统计变量。

②其他的数据结构：

●　进程控制块：记录协议模块中各进程状态，参数等信息的数据结构。

●　接口控制块：记录模块或进程间通信端口状态及信息的数据结构。

③实现：在协议软件中使用的数据结构表、进程控制块、接口控制块，通常使用数组、链表、树结构等方式实现。

为了能够快速、有效地访问数据结构，主要根据不同对象设计不同的HASH算法直接定位的方式实现。

（5）配置与控制

协议的配置与控制是指协议的管理。

①开启和关断协议；

②开启和关断特定端口的协议；

③特定接口的编址；

④设置最大帧尺寸；

⑤协议消息超时管理；

⑥对等实体的超时处理；

⑦鉴别安全信息；

⑧流量参数管理；

⑨封装信息。

（6）系统启动

①对各种表的大小参数进行初始化；

②为动态数据结构和状态表分配内存；

③状态表变量初始化；

④缓冲区和定时器接口初始化；

⑤从本地源读入配置，并对配置初始化；

⑥高层和低层接口初始化，包括向高层和/或低层注册；

⑦需要时创建和启动其他的协议任务；

⑧在无限循环中等待。

4.多板通信软件的设计

通信系统很复杂，通常在一个机壳上有多块板，甚至有多个机壳。本小节讨论通信中常用的多板设计中软件结构的变化。

（1）板件通信协议及实现

板间通信协议（ICCP或ICP）解决各主控板之间的通信问题和主控板和硬件插板的通信问题。目前使用的通信方式：TCP、UDP、HDLC等。

板间通信协议的实现：对底层通信方式进行封装，提供两个统一的接口，分别对应基本传输服务（A类服务）和带差错控制的服务（B类服务）。

A类服务：通信的一方将报文发送给对方，不等对方证实。对方收到报文后直接交给用户，不回证实。这类服务不提供差错控制，主要适合两种场合：协议用户本身自己提供差错控制；ICCP底层已提供差错控制，如TCP。

B类服务：该服务与MTP相似，每个报文都带一个前向序号字节和一个后向序号字节。所谓前向序号是指发送方给当前发送报文的编号，所谓后向序号是本方已正确接收的报文序号。通过对这些序号的判断，实现对丢失报文的重发，从而达到差错控制的目的。B类服务主要用于直接控制HDLC芯片进行通信，或在局域网上使用UDP协议。

（2）多板系统中的故障与容错

多板系统和单板系统都会受到硬件故障的影响，但多板系统能够通过切换到另一块板对故障进行处理，这就是多板系统的容错。目前，电信级设备普遍要求具有容错功能。单控制板+多线板结构是通信应用中经常使用的多板系统实现。

5.通信系统管理软件

①SNMP管理

②公共管理信息协议（CMIP）；

③公共对象请求代理结构（CORBA）；

④事务语言1（TL1）；

⑤命令行接口（CLI、MML）。