嵌入式軟件通信架構(gòu)研究

李小林 王炳強(qiáng)

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會在不斷的進(jìn)步，傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境架構(gòu)存在缺乏可擴(kuò)展性、不能共享通信資源、不能共享目標(biāo)機(jī)代理等資源的問題。文章研究嵌入式軟件通信架構(gòu)（TargetcommunicationFramework，簡稱TCF），以及基于該架構(gòu)的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境技術(shù)。TCF在目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)之間建立共享的通信鏈接、統(tǒng)一通信協(xié)議、基于服務(wù)的架構(gòu)，共享通信通道和目標(biāo)機(jī)代理，是下一代嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的全新設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞：TCF；嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境；交叉調(diào)試；CDT；天脈操作系統(tǒng)

引言

通信信號自動(dòng)調(diào)制方式識別的應(yīng)用范圍廣泛，在軟件無線電接收機(jī)中更具有十分重要的意義。軟件無線電的思路是構(gòu)建一個(gè)通用硬件平臺，用軟件來實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線通信功能，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多波段、多體制、多制式的接收和發(fā)送，達(dá)到通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通，信號調(diào)制方式的自動(dòng)識別是軟件無線電接收機(jī)的必備功能之一。

1軟件無線電概述

約瑟夫·米托拉（JesephMitola）在1922年5月份舉行的美國通信系統(tǒng)會議上第一次正式提出了“軟件無線電”（SWR，SoftwareRadio）的概念。該概念的核心思想就是積極建構(gòu)一個(gè)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的硬件支持平臺，而后借助該硬件支持平臺，讓寬帶D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器與天線在最大程度上相互靠近，利用軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種所需要的無線通信功能，例如數(shù)據(jù)格式、工作頻段、加密模式、調(diào)制解調(diào)方式以及通信協(xié)議等等，讓軟件無線電擁有使用靈活、通用性強(qiáng)、便于升級和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。由于軟件無線電的各種功能是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的，因此，假如需要對通信系統(tǒng)進(jìn)行更新只需要添加新型軟件模塊即可；同時(shí)，軟件無線電可以形成多種通信協(xié)議與調(diào)制波形，因此能夠有效兼容以往的舊體制電臺，延長了通信系統(tǒng)的使用壽命，降低了使用成本。

在今天，日新月異的電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速發(fā)展的信號處理技術(shù)和寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、具有較高技術(shù)成熟度的EDA工具和可編程器件尤其是不斷提升的硬件制造水平，這些均為軟線無線電提供了極大的技術(shù)便利。有鑒于此，軟件無線電的物理層必須要具備非常優(yōu)秀的適應(yīng)性和靈活性，能夠在最大程度上兼容各種操作系統(tǒng)，并保證各種通信功能可以正常使用。

2嵌入式通信架構(gòu)

TCF設(shè)計(jì)共享的物理鏈接解決共享網(wǎng)絡(luò)資源的問題；設(shè)計(jì)統(tǒng)一的通信協(xié)議、并采用基于服務(wù)的架構(gòu)，解決共享代理的問題、缺乏可擴(kuò)展性的問題。

2.1共享的物理鏈接

TCF通信鏈接包括通道、消息、JSON碼、服務(wù)四層，對應(yīng)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的5到7層。會話層由通道和消息組成；表示層進(jìn)行數(shù)據(jù)描述和編碼；應(yīng)用層駐留各種服務(wù)。TCF根據(jù)目標(biāo)機(jī)配置創(chuàng)建宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的數(shù)據(jù)交換通道。一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)可以創(chuàng)建多路通道，一個(gè)通道可以掛接多個(gè)服務(wù)。工具調(diào)用通道的標(biāo)準(zhǔn)接口，選擇需要的服務(wù)。

2.2統(tǒng)一的通信協(xié)議

TCF制定一種統(tǒng)一的基于文本的通信協(xié)議。該協(xié)議定義消息的時(shí)序和數(shù)據(jù)格式。TCF包含四類消息：命令消息、回復(fù)消息、事件消息、流控制消息。命令消息通知目標(biāo)機(jī)執(zhí)行預(yù)定義動(dòng)作?；貜?fù)消息回復(fù)命令的執(zhí)行結(jié)果或狀態(tài)。事件消息通知訂閱者目標(biāo)機(jī)狀態(tài)的改變。流控制消息發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，預(yù)防堵塞。表1列舉消息類型及其語法。TCF通信協(xié)議規(guī)定斜體部分?jǐn)?shù)據(jù)的格式；黑體部分和服務(wù)相關(guān)，可以使用任意的符合需求的數(shù)據(jù)編碼。TCF默認(rèn)選擇JSON編碼。JSON（JavaScriptObjectNotation）是一個(gè)基于文本的、輕量級的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

宿主機(jī)工具創(chuàng)建通道，選擇需要的服務(wù)并發(fā)送命令消息，命令消息的語法中，“C”表示是命令類消息標(biāo)識，“token”是通道標(biāo)識，“service”是服務(wù)標(biāo)識，“command”是命令名稱，“argu-mentsdata”是命令參數(shù)。目標(biāo)機(jī)代理收到、解析命令消息，派發(fā)調(diào)用的服務(wù)。服務(wù)的執(zhí)行結(jié)果通過回復(fù)消息發(fā)給工具?；貜?fù)消息有兩類，R類和P類。一個(gè)命令消息對應(yīng)一個(gè)R類消息或多個(gè)P類消息。R類消息是立即執(zhí)行并返回的消息，“resultdata”表示返回?cái)?shù)據(jù)；P類消息是長時(shí)間執(zhí)行的消息，“progressdata”表示當(dāng)前命令的執(zhí)行進(jìn)度數(shù)據(jù)。目標(biāo)機(jī)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，發(fā)送事件消息通知宿主機(jī)工具。工具可以訂閱關(guān)注的事件類型?！癳vent”表示事件類型。“eventdata”表示事件的數(shù)據(jù)。當(dāng)宿主機(jī)發(fā)送消息的速度過快，超過通道或目標(biāo)機(jī)的處理能力時(shí)，目標(biāo)機(jī)發(fā)送流控制消息給宿主機(jī)?！皌rafficcongestionlevel”的取值范圍為-100到100，表示通信擁塞級別從小大。當(dāng)通信擁塞級別大于0時(shí)，宿主機(jī)就會調(diào)整消息發(fā)送頻率。

2.3基于服務(wù)的架構(gòu)

TCF把目標(biāo)機(jī)代理的功能歸納分類為一組服務(wù)。目標(biāo)機(jī)只運(yùn)行一個(gè)代理，容納、管理所有服務(wù)；接收宿主機(jī)的命令消息，派發(fā)相應(yīng)服務(wù)；組織回復(fù)消息；監(jiān)聽目標(biāo)機(jī)狀態(tài)變化，組織事件消息；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)組織流控制消息。TCF定義的基本服務(wù)共5類、12種：（1）遠(yuǎn)程定位類，包括定位服務(wù)，用于發(fā)送、接收遠(yuǎn)程定位信息，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)上線的目標(biāo)機(jī)；（2）遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)控制類，包括文件系統(tǒng)服務(wù)；（3）遠(yuǎn)程進(jìn)程控制類，包括進(jìn)程服務(wù)，提供啟動(dòng)、停止、掛接、解掛等進(jìn)程控制；（4）目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)控制類，包括系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)，用于獲取目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)，如系統(tǒng)內(nèi)核、進(jìn)程、線程對象的信息；（5）調(diào)試控制類，包括：運(yùn)行控制服務(wù)、斷點(diǎn)服務(wù)、寄存器服務(wù)、內(nèi)存服務(wù)、上下文服務(wù)、反匯編服務(wù)、棧幀服務(wù)、符號表服務(wù)。TCF支持動(dòng)態(tài)加卸載服務(wù)?？梢栽谀繕?biāo)設(shè)備運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)、停止指定服務(wù)。TCF支持?jǐn)U展服務(wù)。擴(kuò)展分為實(shí)現(xiàn)新的服務(wù)以及服務(wù)增值。服務(wù)增值加工服務(wù)回復(fù)消息，回復(fù)經(jīng)過二次解釋的數(shù)據(jù)。

3TCF的典型實(shí)現(xiàn)

Eclipse是嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境的主流平臺。通過集成不同的插件，Eclipse可以擴(kuò)展各種功能：支持C/C++開發(fā)的CDT（C/C++DevelopmentToolkit）項(xiàng)目；支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)開發(fā)的RSE（RemoteSystemExplorer）項(xiàng)目；實(shí)現(xiàn)TCF架構(gòu)的項(xiàng)目。TCF項(xiàng)目分為宿主機(jī)端、目標(biāo)機(jī)端。宿主機(jī)使用Java實(shí)現(xiàn)的TCF架構(gòu)核心。目標(biāo)機(jī)端使用C實(shí)現(xiàn)TCF代理。我們選擇Eclipse+TCF+CDT+RSE的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支持天脈1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境。在結(jié)如圖1描述的結(jié)構(gòu)中，基于CDT實(shí)現(xiàn)調(diào)試器；基于RSE實(shí)現(xiàn)監(jiān)控器。調(diào)試器和監(jiān)控器通過TCF架構(gòu)核心和目標(biāo)機(jī)上的TCF代理程序通信，完成天脈的開發(fā)調(diào)試。

結(jié)語

隨著各家供應(yīng)商的接受，基于TCF的商用開發(fā)工具軟件已經(jīng)逐步出現(xiàn)，如WindRiver公司workbench3.2及其后續(xù)系列產(chǎn)品。TCF已經(jīng)納入Eclipse開源社區(qū)，借著開源目的優(yōu)勢，TCF將成為新一代嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境行業(yè)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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