??? 摘? 要: 介紹3GPP提出的一種終端設備和移動臺串行通信的復用" title="復用">復用協議及嵌入式Linux系統下串行通信模塊" title="通信模塊">通信模塊的結構和功能劃分,在此基礎上,提出一種實現這一復用協議的方案。目前,這一設計方案已經開發成功并廣泛應用于所開發的車載移動終端產品中。?
??? 關鍵詞: TS27.010? 串行鏈路" title="鏈路">鏈路復用? GPRS移動終端? 嵌入式Linux
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??? 隨著移動通信技術的迅速發展,具備無線通信功能的移動終端也迅速發展起來。這些移動終端支持普通的話音、短消息等業務,隨著GPRS網絡覆蓋的迅速擴大,越來越多的手持/車載移動終端也開始支持GPRS上網業務。如何在一個終端設備上整合這些業務,這是許多移動終端設備開發者面對的問題。筆者在開發一款車載移動終端過程中,采用了3GPP的TS 27.010協議,成功地整合了這些業務。?
1 TS27.010協議介紹?
??? 在常用的GSM/GPRS通信模塊中(如Siemens的MC35、WaveCom的Q2400等),只能通過一個普通9針的異步串口" title="串口">串口與終端設備TE(Terminal Equipment)進行通信。TE和MS(Mobile Station)需要通過這個串口交換各種類型的數據,例如:語音、傳真、數據、SMS、CBS、電話號碼本的維護、電池狀態、GPRS、USSD等。如何在一個串口上同時支持這么多的業務、例如,在數據通信過程中,怎樣發送或接收SMS、為了解決這些問題,3GPP提出了一個協議——TS27.010協議(Terminal Equipment to Mobile Station Multiplexer Protocol)。有了Multiplexer,即使在數據連接過程中,也可以發送SMS。其它業務組合也可以同時進行。例如,數字語音和SMS同時發送。Multiplexer的存在使得一個完整的系統能夠根據需要進行劃分。?
??? 3GPP 的Multiplexer設計非常靈活,并且獨立于MS/TE平臺,已有的應用程序" title="應用程序">應用程序不需要改動即可工作。在設計Multiplexer時,特別考慮到采用電池供電的設備的需求,所以包含了省電模式控制等很重要的功能,并且Multiplexer本身在運行時也盡量使用最小的功耗和內存。?
??? Multiplexer基于ISO的HDLC標準設計,工作于有多種選項的單模式下。但是Basic Option并不遵從HDLC。在基本選項模式下,Multiplexer沒有透明機制,也沒有錯誤恢復功能。但是在高級選項(Advanced Option)模式下,使用HDLC的透明機制,且Multiplexer有一個方便的再同步機制,能夠在DC1/DC3(XON/XOFF)流控打開的鏈路上工作,且包含了錯誤恢復功能。?
??? 3GPP的Multiplexer依賴于一個控制信道。在這個控制信道上,TE和MS交換控制信息,例如參數協商、節電控制信息、流控信息等。Multiplexer是一個可選項,如果支持這個功能,就應使用AT+CMUX命令激活它。?
??? Multiplexer為TE和MS在一個起始/停止模式的、具有分幀功能的串行鏈路上傳輸數據流提供了一套機制。圖1給出了不同的協議層及其功能示意。Multiplexer層負責將數據按字節流的方式傳輸,不再進行進一步的組幀;如果數據需要按一定結構傳輸,就需要增加一個會聚層來完成這些功能。?
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??? Multiplexer為TE上的進程和MS上相對應的進程提供了一條虛連接,這樣TE和MS上的進程就可以通過這條虛連接通信。例如,TE上的SMS應用程序可以通過一條Multiplexer通道與MS上的SMS處理程序連接起來。?
??? TS27.010規范使用8bit字符的start-stop傳輸模式,兩個Mulitplexer實體間的通信使用了規定的幀格式。TE和MS之間的每個信道稱為一條數據鏈路連接DLC(Data Link Connection),這些DLC被依次獨立地建立起來。每個DLC都可以有自己的流控機制。?
??? Multiplexer有三種工作模式:Basic、Advanced without error recovery和Advanced with error recovery。這三種模式特點如下:?
??? ·Basic:長度標識代替HDLC的透明機制;使用與HDLC不同的標志字;不能用于具有XON/XOFF流控的鏈路;從同步丟失狀態中恢復需要更長的時間。?
??? ·Advanced without error recovery:遵從ISO/IEC13239的異步HDLC過程;可以用于具備XON/XOFF流控的鏈路上;可以更快地從失同步狀態恢復。?
??? ·Advanced with error recovery:使用了HDLC的錯誤恢復過程。?
2 Wavecom GSM/GPRS模塊Multiplexing協議介紹?
??? 筆者選用了Wavecom的Q2403A,這是一款E-GSM/GPRS 900/1800的雙頻模塊。這個模塊支持大部分常用的AT命令,但不支持標準的TS27.010協議。為了能夠數據/命令復用,Wavecom定義了自己的multiplex協議。?
??? Wavecom的復用協議允許一條串行鏈路上同時進行兩個會話(即虛連接):一個AT命令的會話和一個數據通信的會話。AT+WMUX=1將激活模塊的復用模式。在這種模式下,AT命令和數據都被封裝成數據包。通過包頭,可以區分是數據包還是AT命令包。?
2.1 AT命令包格式?
??? AT命令包幀格式如圖2所示。第一個字節(0xAA)用于標識這是一個命令包,第二個字節是AT命令長度的低八位。第三個字節由兩部分組成:低3位是AT命令長度的高3位;高3位用于標識一個AT命令。AT命令的最大長度可以為2047字節。校驗和(checksum)是包中所有字節(包括頭和AT命令)之和對256取模。?
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2.2 數據包格式?
??? 數據包各個字段(除packet type外)意義與AT命令包相同,其幀格式如圖3所示。數據包有以下幾種類型:?
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??? ·Type=0——DATA 包:這個包是發送到無線鏈路上或者從無線鏈路上接收到的數據?
??? ·Type=1——STATUS包:這個包給出了SA、SB、X和中斷條件編碼的信息。?
??? 狀態包的長度總為1字節。任何一個狀態(除了break)改變時,所有的狀態位都要發送出去。缺省情況下,所有的狀態位都是關閉的(因此DTR、RTS都是關閉的),所以在打開復用開關準備傳送數據之前,一定要發送一個狀態包。?
??? ·Type=2——READY包:這個包表示發送READY包的一方可以接收數據了。包中沒有數據,所以長度字段為0。?
??? ·Type=3——BUSY 包:這個包表示發送READY包的一方忙,無法接收數據。包中沒有數據。?
3 Linux下串口通信系統的組成?
??? 要在Linux系統上實現TS27.010協議,就必須了解Linux下串口驅動軟件模塊的結構。?
??? 圖4不但給出了Linux kernel中串口通信模塊的組成結構,還形象地表示出了數據是如何在用戶和硬件接口之間流動的(筆者使用Linux 2.4.19的內核)。從圖4可以看到串口通信模塊可在邏輯上分為三層:TTY層、line discipline層和底層驅動層。TTY層是用戶空間和內核空間的橋梁,用戶程序和內核需要通過tty層交換數據;Low-level driver則負責硬件的交互,它對硬件進行控制和讀寫操作;line discipline層是整個串行通信模塊中最靈活、設計最巧妙的一層,它要為一個串行口的使用定下數據交互的“規程”,在Linux內核中已經存在了許多line discipline,例如PPP、SLIP、TTY等。缺省使用TTY line discipline。可以根據需要將line discipline替換成Linux已經定義的line discipline結構,甚至替換為自己的line discipline結構。?
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??? 在圖4中,向硬件接口寫數據的過程是顯而易見的。但是,用戶程序從硬件讀取數據的過程卻要復雜一些,這是因為硬件與用戶空間之間沒有直接的聯系。解決的辦法就是使用緩沖技術,硬件接收數據存儲于kernel buffer中,等待用戶程序請求這些數據;如果用戶程序請求數據時,這個buffer是空的,那么用戶程序就會被掛起,直到buffer中有數據時,它才被喚醒。實際上,TTY相關的緩沖是由兩級構成的:一個“常規”buffer(數據等待著line discpline取走,缺省情況下傳到用戶空間)和一個“flip”buffer(硬件驅動函數將底層進來的數據盡可能快地存入這個緩沖,而不必考慮并發存取問題,因為這個buffer是每個硬件驅動專有的)。flip buffer由兩個物理的緩沖實現,并被交替地寫入,這樣中斷處理函數就會總有一個緩沖可用。?
??? Linux下串口軟件的這種分層結構雖然增加了復雜性,但是它帶來的好處是多方面的。第一,串口模塊更加靈活,在為新的串口硬件編寫驅動程序時,只需修改和增加最底層的軟件即可;第二,上層應用程序可以根據需要改變line discipline的處理軟件,在使用PPP、SLIP等協議進行撥號連接時,都需要將原有的line discipline替換為PPP或者SLIP協議本身的line discipline;第三,可以根據需要,在層與層之間加入一層自己的處理軟件。事實上,筆者在實現Multiplex協議時正是這樣做的。?
4 Multiplexing協議的實現?
4.1 協議實現時的考慮?
??? 在實現TS27.010協議時,基于以下考慮:第一,使用串口的上層應用程序不需要改動。這一點很重要,因為系統中有許多用戶程序使用串口進行通信。如果需要對它們進行改動,那么由此付出的代價顯然是不值得的。在這一點上,尤其需要特別考慮PPP軟件,因為在Linux下通過GPRS上網必須使用PPP協議進行撥號。PPP存在于用戶空間和內核空間兩個地方,用戶空間的pppd應用程序完成撥號連接的管理功能;內核空間的ppp協議軟件實現PPP包的組幀/分幀等核心功能。PPP定義了自己的line discipline模塊,且到此為止,往下就不再有PPP相關的軟件模塊(參看圖4的分層結構)。第二,盡可能多地實現TS27.010協議。雖然這個協議的內容很豐富,但是由于Wavecom通信模塊只支持有限的幾種格式,并且幀頭部分還略有不同。這樣實現起來就存在許多困難,只能在保證實現Wavecom復用協議并可靠工作的前提下,盡量實現TS27.010協議,以便于以后硬件和軟件的升級。?
4.2 mux driver的實現方案?
??? 正是基于以上兩點考慮,決定將這個協議的實現放在Line discipline和Low-level driver兩層之間,參看圖5。這樣,不需要對Linux的TCP/IP協議棧軟件和PPP軟件作任何修改,就可以在復用模式下實現原有的無線上網功能。?
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??? 圖5給出了MUX模塊的函數調用和數據流程。TTY Layer、line discipline和serial driver是Linux tty設備文件系統在內核中已有的三層,在前一節已經介紹。?
??? 正如筆者在實現TS27.010協議時所考慮的,為了不影響上層應用程序,MUX必須支持標準的Linux系統調用,如write()、read()、ioctl()等。write()如果成功,則返回發送的字節數;如果失敗則返回-1,并將errno(Linux系統下一個全局變量,用戶接口可以根據這個值判斷錯誤類型)置為合適的值。正如圖5所示,write()并不是將數據直接發送出去,要發送的數據首先按照TS27.010協議的要求(筆者使用Wavecom模塊,它有自己的協議要求)組成MUX幀,然后根據數據的優先級排隊,優先級高的數據首先被發送。?
??? 同樣,對設備/dev/muxN(0 4.3 Wavecom復用協議特殊情況的處理? ??? 在實現TS27.010協議時,考慮到Wavecom協議的特殊情況,在完全實現Wavecom復用功能的同時,盡可能多地實現TS27.010協議。由于Wavecom只能同時支持兩個虛連接,所以這里的M=2。其中,/dev/mux0用于AT命令,作為控制信息通道;/dev/mux1用于PPP連接,作為數據通道。作為Wavecom復用協議的一個嚴重缺陷,從圖2、圖3的幀結構可以看到,從串行鏈路提交來的數據只能區分出是AT command數據還是DATA數據,而無法確定鏈路的信息,即無法確定數據是mux0接收,還是mux1接收。為了解決這個問題,筆者在實現時,將底層提交的數據同時送給mux0和mux1(如果這兩個設備都已經打開)。但是考慮到軟件的效率和數據的可靠性,在向上層提交數據時,有以下兩點例外:第一,mux1是PPP專用的,在PPP沒起來之前,mux1可以作為AT命令通道,但是PPP連接成功后(PPP的line discipline已經替換掉了缺省的TTY line discipline),它將不再接收AT命令,所以此時底層提交的AT命令幀不會送給mux1;第二,mux0作為AT命令通道,將不接收PPP數據,所以在PPP連接成功后,不會把0x7E開始和0x7E結束(PPP的幀同步標志字節)的DATA幀發送到mux1。? ??? GPRS網絡作為一種過渡性質的2.5G網絡,覆蓋日益廣泛。由于它的速率高、實時性好、費用低廉等諸多優勢,日益被手持/車載等移動終端設備采用。在使用GPRS網絡傳輸數據的同時,這些設備也必須能支持普通的無線業務,如語音、短消息等。TS 27.010協議很好地解決了這些業務的復用問題。筆者開發的這套Linux上的multiplexing軟件實現了這些功能,使得移動終端能夠在PPP連接不斷開的情況下,可以打出/接聽電話、發送/接收短消息。? 參考文獻? 1 Terminal Equipment to Mobile Station (TE-MS) multiplexer?protocol (3G TS 27.010 version 2.0.0),ETSI,1999? 2 AT commands interface(v9.0),Wavecom? 3 Linux Device Drivers, 2nd Edition,Alessandro Rubini and??Jonathan Corbet. O＇Reilly & Associates, 2001? 4 Serial Drivers,Alessandro Rubini. http://www.linux.it/kerneldocs/serial/serial.html? 5 楊沙洲.Linux 2.4.x內核軟中斷機制.http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/linux/kernel/interrupt/index.shtml