基于Nucleus Plus的RLC層定時器的設(shè)計*

陳發(fā)堂，朱 明，庹 勤，周元元

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶 400065)

通信系統(tǒng)離不開通信協(xié)議,而定時器是保證通信協(xié)議正常運(yùn)行的基本要素之一。在目前的通信系統(tǒng)中,通常硬件只提供幾個定時器,大量的定時器必須由軟件提供，而軟件提供方法只有兩種:由操作系統(tǒng)提供或由應(yīng)用程序提供[1]。其中，操作系統(tǒng)提供的定時器具有定時精度高、實時性好等優(yōu)點。

LTE(Long Term Evolution)項目是 3G的演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口技術(shù),在20 MHz帶寬上能夠提供下行100 Mb/s、上行 50 Mb/s的峰值速率，同時對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽烁叩囊骩2]。無線鏈路控制RLC(Radio Link Control)層作為協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)中的L2層之一，主要是提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。LTE系統(tǒng)是一個對實時性要求較高的系統(tǒng)，因此TD-LTE射頻一致性測試儀表的開發(fā)采用Nucleus Plus操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)具有實時響應(yīng)、搶先式、多任務(wù)等開放特性，在通信設(shè)備、航空航天、醫(yī)療器械、工業(yè)控制系統(tǒng)等實時性要求高的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 Nucleus Plus和定時器

1.1 Nucleus Plus簡介

Nucleus Plus是美國著名RTOS廠商ATI公司(Accelerated Technology Inc)在嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Nucleus基礎(chǔ)上，為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一個實時、任務(wù)搶先式、多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。大約95%的Nucleus Plus內(nèi)核代碼是用ANSIC編寫的，非常便于移植且可以很容易地應(yīng)用到大多數(shù)的處理器中[3]。該內(nèi)核提供任務(wù)間通信、任務(wù)調(diào)度、同步、內(nèi)存管理、定時器和中斷等操作系統(tǒng)最基本服務(wù),將任務(wù)組織起來構(gòu)成完整的系統(tǒng)的則是其中的任務(wù)間通信功能[4]。Nucleus Plus操作系統(tǒng)在系統(tǒng)初始化過程中為LTE系統(tǒng)協(xié)議棧每個子層創(chuàng)建了一個對應(yīng)的任務(wù)和隊列，且不同的任務(wù)有不同的優(yōu)先級，隊列則作為消息的載體提供了傳輸消息的機(jī)制。

1.2 RLC層定時器介紹

LTE系統(tǒng)中的RLC層位于協(xié)議棧接入層的媒體介入控制MAC(Media Access Control)層和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議PDCP(Packet Data Convergence Protocol)層之間，主要執(zhí)行組裝PDU、重組SDU、重傳PDU等功能。它支持3種數(shù)據(jù)傳輸模式:透明模式(TM)、非確認(rèn)模式(UM)和確認(rèn)模式(AM)。為保證無線鏈路的正常運(yùn)行以及鏈路傳輸?shù)母咚傩?，RLC層作為LTE系統(tǒng)核心通路的重要組成部分，定義了3種定時器，即重排序定時器(t-Reordering)、狀態(tài)禁止定時器(t-StatusProhibit)和輪詢重傳定時器(t-PollRetransmit)。第一種定時器在UM和AM模式下都存在，后兩種定時器只在AM模式下存在。這三種定時器在RLC層的作用都至關(guān)重要，是不可缺少的。其中，t-Reordering可以保證數(shù)據(jù)按序遞交給高層；t-StatusProhibit控制發(fā)送狀態(tài) PDU的時間間隔，該定時器運(yùn)行期間不能發(fā)送狀態(tài) PDU；t-PollRetransmit可以避免過分頻繁地要求對等層發(fā)送狀態(tài) PDU，以保證其他數(shù)據(jù)的正常接收、發(fā)送以及數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)3GPP通信協(xié)議，各模式下的定時器都有各自的開啟條件、關(guān)閉條件以及溢出處理方式。

2 定時器設(shè)計

在單實例模式下，為方便起見，RLC層的定時器和協(xié)議棧其他層一樣，都是在Nucleus Plus操作系統(tǒng)初始化時創(chuàng)建的。但實際存在SRB和一個或多個DRB共存的情況。為保證同時建立多個承載，LTE系統(tǒng)的RLC層必須支持多實例功能，且每個實例下的RLC實體必須擁有自己獨立的一套參數(shù)。如果某實例下RLC層被配置為UM模式，則其只擁有一個重排序定時器；如果某實例下RLC層被配置為AM模式，則其包含一個重排序定時器、一個狀態(tài)禁止定時器和一個輪詢重傳定時器。在多實例模式下，由于最初并不知道要建立哪些無線承載及數(shù)量，如果在系統(tǒng)初始化時就創(chuàng)建多個實例下的定時器，定會導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。為防止多實例模式中RLC層各實例下的定時器出現(xiàn)混亂,在建立RLC實體時創(chuàng)建屬于本實例的定時器，而不是在系統(tǒng)初始化時創(chuàng)建定時器。例如在建立數(shù)據(jù)傳輸模式為AM模式,實例號為v_rlc_rbId的承載時，創(chuàng)建重排序定時器，且表示為s_rlc_amInst[v_rlc_rbId].t_rlc_t_reordering。這樣既不會浪費(fèi)資源，也能很清晰明了地表示各實例下的定時器。

在處理定時器超時函數(shù)時，由于在MAC層設(shè)置了軟中斷,如果在定時器超時后直接調(diào)用定時器超時函數(shù)，超時函數(shù)、數(shù)據(jù)搬移完成后，操作系統(tǒng)可能直接跳轉(zhuǎn)到MAC層執(zhí)行相關(guān)操作，而不會立即返回RLC層斷點處繼續(xù)未完的操作。這樣就會導(dǎo)致RLC層的數(shù)據(jù)堆積，不利于系統(tǒng)快速有效地運(yùn)行。為避免這種情況，先調(diào)用協(xié)議棧一個整體的超時函數(shù)rtos01_09timerExpirationRoutine，該函數(shù)運(yùn)用switch語句，通過判斷分支,將超時的任務(wù)發(fā)到RLC層的隊列中。例如，如果此時是AM傳輸模式下的重排序定時器超時,根據(jù)信令I(lǐng)D OP_T_rlc_t_am_reordering(為每種定時器分配了一個信令標(biāo)示)找到相應(yīng)的case語句，并執(zhí)行此語句后的操作，即將處理重排序定時器超時的任務(wù)發(fā)到Nucleus Plus操作系統(tǒng)，為RLC層創(chuàng)建的隊列中，并將任務(wù)放在隊列的最前面，保證該消息能盡快地被處理。發(fā)送的消息要攜帶當(dāng)前狀態(tài)(所舉例中應(yīng)該是AM傳輸狀態(tài))和RBID(無線承載標(biāo)示)，RBID用以說明是哪一個無線承載下的定時器超時。

多實例模式下，要進(jìn)行消息的處理，首先必須知道該消息屬于哪個實例以及該實例所處的狀態(tài)，然后執(zhí)行該狀態(tài)下對應(yīng)的這條消息的處理函數(shù)，處理結(jié)束后便躍遷到相應(yīng)的狀態(tài)[5]。針對存在多實例模式的情況，RLC層引入了一個多實例管理模塊,它負(fù)責(zé)將發(fā)到RLC層的任務(wù)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的進(jìn)程實例下,多實例結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RLC層多實例模式結(jié)構(gòu)圖

協(xié)議棧的開發(fā)是基于有限狀態(tài)機(jī)的思想，收到消息后，就會對消息進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)操作系統(tǒng)檢測到RLC層任務(wù)被激活后便跳轉(zhuǎn)至RLC狀態(tài)機(jī),具體過程是：從RLC隊列最前面開始讀取定時器超時的消息,多實例管理模塊會解析出當(dāng)前消息的RBID，將其賦給instanceID，用其作為各實例的區(qū)分，然后通過有效的processID獲得當(dāng)前的進(jìn)程狀態(tài)機(jī)入口函數(shù)，有效的instanceID獲得此實例當(dāng)前的狀態(tài)(本例中為AM傳輸狀態(tài))之后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)分支，通過信令I(lǐng)D處理重排序定時器超時的函數(shù)。該消息處理完后，RLC狀態(tài)機(jī)會繼續(xù)從RLC隊列中讀取消息進(jìn)行處理，直至隊列為空。隊列為空時，RLC層任務(wù)會被掛起，并跳出本層狀態(tài)機(jī)，控制權(quán)限交還給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)檢測到其他層任務(wù)被激活后，便會跳轉(zhuǎn)至其他層狀態(tài)機(jī)進(jìn)行消息處理。操作系統(tǒng)處理定時器超時的消息流程如圖2所示。

3 定時器模塊的改善

協(xié)議中涉及的對定時器的操作有創(chuàng)建、開啟、停止、重啟、重設(shè)和刪除功能。Nucleus Plus提供的功能函數(shù)只可以實現(xiàn)對定時器的創(chuàng)建、開啟、停止和刪除等基本操作,如果重啟定時器時需改變一個定時器的長度，運(yùn)用這些功能函數(shù)實現(xiàn)的方法為：先關(guān)閉該定時器，再刪除該定時器,最后重新創(chuàng)建一個新長度的定時器,并將啟動的新定時器加入Nucleus Plus系統(tǒng)中啟動定時器鏈表。很明顯，整個實現(xiàn)過程比較繁瑣,而且容易出錯。在LTE系統(tǒng)協(xié)議棧的開發(fā)中，為了方便定時器的使用，設(shè)計了一個新的功能函數(shù)(RTOS02_01RestartTimerChangeable)。即將重啟定時器長度改變和未改變合并在一個函數(shù)中，即在使用時通過該函數(shù)的形參的不同分別實現(xiàn)定時器長度未改變和改變了兩種情況。首先定義如下兩個宏定義：

圖2 消息處理流程圖

當(dāng)需重啟定時器的長度未改變時,調(diào)用RTOS_RESTART_TIMER(timer);當(dāng)重啟定時器長度改變時,調(diào)用 RTOS_RESTART_TIMER_CH-ANGEABLE(timer,init_time,loop_time)。

定時器重啟的函數(shù)如下：

從上述函數(shù)可看出，必須在定時器未運(yùn)行時，才能對其進(jìn)行操作。在調(diào)用定時器重啟的函數(shù)時，如果形參init_time＞0，則說明定時器的長度需要修改，需重啟定時器時要用新的長度；否則，重啟定時器時還是用原來的定時器長度。當(dāng)重啟的定時器的長度確定好后,便調(diào)用函數(shù)TMC_Start_Timer重啟該定時器。該函數(shù)的實現(xiàn)過程如下：整個函數(shù)大體分為兩部分，第一部分是已啟動的定時器鏈表為空的情況，另一部分則是已有定時器啟動的情況。第一種情況只需將已啟動的定時器鏈表的指針指向該定時器的(任務(wù)控制塊)TCB結(jié)構(gòu)體，此時該定時器處于鏈表頭，將根據(jù)定時器的定時長度設(shè)置實際的計數(shù)定時器結(jié)構(gòu)，并開啟定時器。第二種情況，首先需確定系統(tǒng)沒有執(zhí)行要重啟定時器的超時任務(wù)。若正在執(zhí)行超時任務(wù)，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，不可試圖調(diào)整定時器鏈表。在確定沒有運(yùn)行超時任務(wù)時，則可以從鏈表頭開始搜索，通過比較要加入的定時器的長度和鏈表中每個定時器剩余時間，將該定時器加入鏈表中合適的位置。當(dāng)定時器超時后，操作系統(tǒng)便根據(jù)章節(jié)2中的超時過程進(jìn)行處理。

文中結(jié)合Nucleus Plus操作系統(tǒng)主要給出了項目TD-LTE射頻一致性測試儀表中,協(xié)議棧RLC層多實例模式下定時器的實現(xiàn)機(jī)制。操作系統(tǒng)為協(xié)議棧每個層創(chuàng)建了一個對應(yīng)的任務(wù)和隊列，并將隊列作為消息載體實現(xiàn)各任務(wù)間的通信。本文將定時器超時也作為一個消息發(fā)到隊列中，系統(tǒng)處理完超時函數(shù)后會返回斷點繼續(xù)之前未完的操作，避免了數(shù)據(jù)堆積，有利于系統(tǒng)快速正常地運(yùn)行。同時，通過改善操作系統(tǒng)中定時器的模塊可以更方便地實現(xiàn)對定時器的控制。

[1]鄒仕祥.通信系統(tǒng)中大量定時器的設(shè)計與分析[J].計算機(jī)應(yīng)用，2005,25(11):2715-2719.

[2]沈嘉.LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009,35(6):7-13.

[3]Wu Liming,Li Dongdong,Wang Guitang.Design of realtime image acquisition system of IC wafer[C].International Conference on Convergence Information Technology,2007.

[4]0001026-001 Rev.102-2000.Nucleus PLUS Reference Manual[S].2000.

[5]宋茂強(qiáng).通信軟件設(shè)計基礎(chǔ)（第2版）[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008.