（通信与信息系统专业论文）蓝牙免提应用协议hfp的实现研究.pdf

摘要 随着近年来无线移动通信技术的飞速发展，工作在嵌入式系统下的无线通信 设备( 如移动电话、掌上电脑等) 以其小巧、方便、低能耗等特点，逐渐成为人 们日常信息交流的主要工具。蓝牙技术是无线数据通信与语音通信的开放性全球 规范。它以低成本的近距离无线连接为基础，为短距离内的移动设备间的信息交 互提供了一套完善的解决方案。 蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 制定的蓝牙技术规范中规定了蓝牙应用应遵循的标 准和需要达到的要求，包括了蓝牙协议和基本应用框架。其中的免提应用框架 ( h a n d s f r e ep r o f i l e ，h f p ) 实现了蓝牙免提设备与音频网关之间的无线连接，使 得司机在驾车的同时可以方便地拨打和接听电话，避免了由于操作不便造成的交 通事故。 本文通过分析蓝牙核心协议，结合蓝牙免提应用框架，利用基于状态转换模型 的形式化协议开发方法对免提应用协议进行了形式化描述和实现，改进了实现方 式。论文详细论述了通过s d l 和m s c 对协议进行描述、验证与代码生成的过程； 在a t 命令的基础上，给出了免提框架各种功能实现的流程图，通过a g 和h f 之间 的a t 命令交互以及h f p 和应用程序的事件触发，实现了异步多连接的应用模式， 并进行了测试验证，同时还研究了协议实现过程中应注意的问题。论文在实现h f p 的过程中，采用异步模式减少了等待时间，提高了程序执行效率，改进的 s e r v e r1 i s t 列表结构实现了对多连接的支持，对a t 命令采用掩码m a s k + 索引 i n d e x 的形式，减少了内存开销，提升了a t 命令解析的速度，从而提高了蓝牙免 提应用框架实现水平。 图5 0 幅，表7 个，参考文献2 0 篇。 关键词：蓝牙；协议栈；应用框架；规范描述语言；消息序列图；异步；状态机 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t w i t hm er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s s d e v i c e ss u c ha sm o b i l ep h o n e sa i l dp d a ，w h i c hh a v ec h a r a c t e r ss u c ha sl o wp o w n e x i b i l i t ya i l dc o n v 饥i e n c e ，a r eb e i n gm 勾o rt o o l so fe x c h a n 舀n gi n f o 咖a t i o n b 1 u e t o o t h i saw o r l dw i d eo p e i ls t a n i i a r df o rw i r e l e s sd a t aa 1 1 dv o i c ec o i l l m u i l i c a t i o n b a s e do nt h e l o w c o s ta n ds h o r tm g ew i r c l e s sc o 衄e c t i o n ，b l u e t o o t hp r 0 v i d e ss o l u t i o i l sf o rd a t a e x c h a n 百n go fm o b i l ed e v i c e si na s h o r tr a i l g e 1 1 1 ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o mc o i i h i l u n i c a t i o nd e s i 印e db ys i g ( b l u e t o o t h s p e c i a li i l t e r e s tg r o u p ) p r o v i d e sas t a n d a r db l u c t o o n la p p l i c a c i o n s 肌dn e e d st o b e f o l l o w c dt oa c h i e v et l l er e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n gm eb l u e t o o mp r o t o c 0 1a n dp r o f i l e s h 锄d s 舶ep r o 丘1 e ( h f p ) ，油p l e r i l e i l t saw i r e l e s s1 i 1 1 l 【b e t 、) l ，e e i lm ea u d i og a t e w a y 髓d h a l l d s 丘e ee q u i p m e n t ，s ot h ed v e rw h i l ed r i v i n gc a ne a s i l ym a k ea 1 1 dr e c e i v ec a l l s ， p r e v e n ta l l ya c t i o ni n c o n v e i l i e i l c ec a u s e dt o 仃a 伍ca c c i d e l l t s a c c o r d i n gt 0m ea n a l y s i so ft l l eb l u e t o o t hc o r ep r o t o c o l ，i no r d e rt oi i i l p r o v et h e r e a l i z a t i o nm e t l l o d ，也i sp 印e ru s e sm ef o m a lp r o t o c o ld c v e l o p m e i l tm e t h o d sb a l s e do n s t a t e 仃a i l s i t i o nm o d e lw i mc o n s i d e r a t i o no fb l u e t o o t hh f pt or e a l i z ea 1 1 dg e tm ef o n n a l d e s c r i p t i o no f b l u e t o o t hh f p s p e c i f i c a t i o n p a p e rd i s c u s s e sm ep r o c e s so fd e s c d p t i o n 、 v a l i d a t i n g 舡l dc o d i n go f t l l ep r o t o c o lv i as d la i l dm s c ；t l l ef l o wc h a r to ft h eh f p 缸l c t i o nr e a l i z a t i o ni s 百v e l lb a s e do nt h ea 1 c o m m a i l d ；t h ea s y l l d h r o n o l l sn m l t i - 1 i i l l 【 a p p l i c a t i o nm o d e l i sr e a l i z e da n dv a l i d a t e da c c o r d i n gt 0t h ea tc o 舢【n a n di n t e r a c t i o n b e 咐e e i la g 锄dh fa n de v e n tt r i g g e rb e 觚e e nh f pa l l da p p l i c a t i o n ；t 1 1 ed e t a i lo f p r o t o c o lr e a l i z a t i o ni sa l s 0s t u d i e d p a p e ru s e st h ea s y n c l l i o n o u sm o d et or e d u c ew a i t i n g t i r n ei nm er e a l i z a t i o no fh f p ，w h i c hi m p r o v em ec o d ee x e c u t i o ne f f i c i e n c y t h e s e r v e r - l i s ts t n j c t u r ei si m p r o v e d t os u p p o r tm u l t i p l ec o l l l l e c t i o n s t i l ea tc o m m a l l di s d e s i 萨e dw i m m ef o 肌o fm a s k + i n d e x ，w h i c hr e d u c e dt h e c o s to fm e r l l o i m p r o v e d t l l ep a r s i n gs p e e dt ot h ea tc o m m a n d 1 1 1 e r e b ya nt h e s ed e s i g ne n h a n c em er e a l i z a t i o n 1 e v e lh f p 5 0f i g u r e ，71 a b l e ，2 0r e f e r e i l c e s 1 ( e y w o r d s ：b l u e t o o t h ；s 1 a c k ；p r o f i l e ；s d l ；m s c ；a s y n c i l r o n o u s ；f s m c i a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师高强教授的悉心指导下完成的，高强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来高强 老师对我的关心和指导。 高强教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向高强老师表示衷心的谢意。 朱刚教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王正生、刘凯等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、i p 。 1 1课题背景 1 绪论 随着i n t e n l e t 的发展和便携式设备以及智能设备的增多，用来连接各种笔记本、 p d a 、智能手机等等设备的电缆布线会越来越复杂，它不仅影响了美观，还增加 了安装、维护的费用和难度。虽然现在可以用8 0 2 1 l 进行无线互连，并且在局域 网的无线接入应用方面具有一定的优势，但它对语音支持十分有限，只支持数据 传输，它的最主要的应用是实现高质量的数据网络，在体积、功耗和成本上也无 法与蓝牙相比，尤其在对成本敏感的家庭和小型办公环境下更显示了蓝牙的优势。 从蓝牙技术的特点分析可以看出，蓝牙无线通信便可实现这些便携式设备及智能 设备和外部n e n l e t 方便地进行连接，因此各个设备之间的相互连接就成了当前的 一个研究主题。 在1 9 9 8 年，爱立信、i b m 、i n t e l 、诺基亚和东芝等公司联合推出了一项最新 的无线网络技术，即蓝牙( b l u e t o o t l l ) 技术。随后，这五家公司组建了一个特殊 兴趣组织( s i g ) 来负责此项技术的开发。1 9 9 9 年7 月，s i g 推出蓝牙协议的1 o 版，从而将其推向应用阶段。如今，s i g 已经拥有9 个成员，近1 0 0 个高级成员和 2 1 0 0 多个普通成员。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种近距离无线通信技术的标准，其目的是用无线接口来代 替有线电缆连接。其主要优点是：传输率约在1 8 m b p s 2 1 b p s ( 理论为3 m b p s ) ， 传输距离为1 0 1 0 0 米；具有很强的可移植性，可应用于多种通信场合，引入身 份识别后可以灵活实现漫游；功耗低，对人体危害小；其集成电路应用简单，成 本低廉，实现容易，易于推广。 1 2 几种无线技术的比较及优势 ( 1 ) b l u e t o o m 无线技术 b l u e t o o t l l 无线技术适用于语音和数据应用。 b l u e t o o t l l 无线技术运行于无需申请许可证的2 4g h z 波段。 b l u e t o o n l 无线技术操作范围可达1 0 米或1 0 0 米，具体取决于b l u e t o o t h 设 备的类别。装备e d r 时的数据率峰值是3m b p s 。 b l u e t 0 0 t h 无线技术能够穿透实心物体。 b l u e t o o t l l 技术是全方向有效的，且不要求将连接设备放置在可见范围内。 安全性一直且永远是b 1 u e t o o m 规格开发中最重要的一环。b 1 u e t o o t h 规格允 许3 种安全模式。 b l u e t o o m 芯片的成本低于3 美元。 ( 2 ) 超宽带( u w b ) i ，w b 是具革命性的无线数字数据传输技术，以极低的功率通过频段的宽频谱 传输数据。它可以极高的速率传输数据( 适合无线局域网应用) 。 迄今为止，u w b 仅在美国获得管制批准。由于没有统一的标准协议和缺乏全 球各国管制批准，1 t w b 产品进入市场的脚步缓慢。 理想情况下，u w b 无线技术功耗小、价格低廉、高速、可使用广范围内的无 线电频谱、可穿透障碍物( 例如门) 传输数据和具有广泛的应用范围( 例如防御、 工业、家庭等) 。 当前有两种相互竞争的u w b 标准。u w b 论坛推广的标准基于直接序列 ( d s u w b ) 。而无线媒体联盟( w i m e d i a a l l i a l l c e ) 则推广另一种基于多频带正交频 分复用( o f d m ) 的标准。 两种标准都允许在2 米范围内达到约o 5 0 0m b p s 的数据率，在1 0 米范围 内则能达到约1 1 0m b p s 。 b 1 u e t o o ms i g 在2 0 0 5 年5 月公布了其与这两个u w b 团体合作的意愿， 以开发能够使用i 兀阳无线电的高速率b 1 u e t o o t h 规格。 ( 3 ) 获得认证的无线u s b 速度：按照计划，无线u s b 在2 米范围内传输速度可达4 8 0 ，而在1 0 米 范围内则为1 1 0m b p s 。无线u s b 集线器最多可运行1 2 7 个无线u s b 设备。 无线u s b 将基于并通过无线媒体联盟推广的u w b 无线电运行。 允许在设备和无线u s b 集线器之间建立点到点连接。 i n t e l 于2 0 0 4 年2 月建立了无线u s b 推广小组。 u s b1 1 1 1 p l e m 翎t e r sf o 九n ，1 1 1 c ( u s b i f ) 测试并认证基于“获得认证的无线 u s b ”的无线设备。 ( 4 ) 、矾一f i ( i e e e8 0 2 11 ) b l u e t o o m 技术的实施成本是w i f i 的三分之一。 b l u e t o o m 技术的功耗是w i f i 的五分之一。 w i f i 联盟( w i f ia l l i a n c e ) 测试并认证基于8 0 2 1 1 的无线设备。 8 0 2 1 1 a ：使用o f d m ，运行于5g h z 波段，最高数据率为5 4m b p s 。 8 0 2 1 1 b ：运行于2 4g h z 波段，最高数据率为1 1m b p s 并使用d s s s 。 8 0 2 1 1 b 是最初的w i f i 标准。 8 0 2 1 1 9 ：运行于2 4g h z 波段，使用o f d m ，最高数据率为5 4m b p s 。它 与8 0 2 1 1 b 反向兼容。 2 8 0 2 1 l e ：此标准可提高服务质量。 8 0 2 1 l h ：此标准是8 0 2 1 1 a 在欧洲地区的补充，提供频谱和功率控制。在此 标准下，8 0 2 1 1 a 规格增加了动态频率选择( f s ) 和传输功率控制( t p c ) 。 8 0 2 1 1 i ：此标准适用于对安全要求较高的场合。它包括高级加密标准( a e s ) 。 此标准并非完全的反向兼容，某些用户可能需要升级他们的硬件。完整的8 0 2 1 l i 支持也称为w p a 2 。 8 0 2 1 l k ：j 下在开发，这一修订标准增强了对8 0 2 1 1 网络无线电资源的管理功 能。 8 0 2 1 1 n ：此标准预期运行于5g h z 波段，最大数据率将超过l o om b p s ( 某 些协议正尝试达到5 0 0m b p s ) 。8 0 2 1 1 n 在处理无线多媒体应用方面将比其它 8 0 2 1 1 标准更优秀。 8 0 2 1 l p ：此标准将运行于分配给汽车行业的5 9g h z 频谱。此标准将是在北 美地区的专用短程通信( d s r c ) 的基础。d s r c 将能实现汽车与汽车和汽车与路 侧基础设施之间的通信。 8 0 2 1 1 r ：这一修订标准将提高用户在接入点或基站之间漫游的能力。开发此 标准的任务小组于2 0 0 4 年春夏成立。 8 0 2 1 l s ：正在开发，这一修订标准将允许在8 0 2 1 1 网络中使用网状网。开发 此标准的任务小组于2 0 0 4 年春夏成立。 ( 5 ) w i m a x ( 全球微波接入互操作性和i e e e8 0 2 1 6 ) 。 w i m a ) 【是一项无线城域网( m a n ) 技术。 w i m a x 覆盖范围达5 0 千米，数据率为7 0m b p s 。一般单元的范围较小。 最初的8 0 2 1 6 标准运行于1 0 一6 6g h z 波段且要求可见环境。 近期完成的8 0 2 1 6 a 标准运行于2 至1 1g h z 波段之间，不需处于可见范围 在欧洲地区的管制批准延迟，是因为在2 8g h z 和3 4g h z 波段频谱的使用 上出现问题。 支持速度在2 0 至1 0 0 公里j 、时之间的车辆运动。8 0 2 1 6 e 标准适用于便携 移动应用。 i e e e8 0 2 1 6 a 和e t s ih i p e r m a n ( 高性能无线电城域网) 共享相同的p h y 和m a c 。8 0 2 1 6 从一开始就以兼容欧洲标准为前提进行设计。 本技术为了与d s l 和线缆调制解调器接入竞争而创建，适用于乡村等存在布 线困难的地区。 ( 6 ) 、i b r 0 ( 无线宽带) 可移动i n t e m e t 服务( w i b r o ) 通过p s s ( 个人用户站) ，在固定或移动的环 境中，提供随时随地的高数据率无线互联网接入。主要适用于使用”r a 规格的 韩国。 2 3 0 0 2 4 0 0m h z 、t d d 、o f d m a 、信道带宽1 0m h z 等等。 系统将支持驾驶速度达6 0 公里j 、时的移动用户。 吞吐量( 每用户) 最大：下载上载= 3 1 m b p s 】；最小：下载上载= 5 1 2 1 2 8f k b p s 】，于2 0 0 6 年第一季度推出。 ( 7 ) 红外线( i r d a ) i r d a 用于为通常使用电缆进行连接的设备提供无线连接功能。i r d a 是一项 点到点、窄角度( 3 0 0 锥形范围) 的专门数据传输标准，专为在o 至1 米的距离 之间操作而设，速度为9 6 0 0b p s 至1 6m b p s 。 i r d a 无法穿透实心物体，与其它无线技术相比，其数据交换应用较少。 i r d a 主要应用于付款系统、远程控制应用或两台p d a 之间的同步操作。 ( 8 ) 射频识别( r f i d ) 针对各种应用，有超过1 4 0 种不同的r f i di s o 标准。 使用l 心i d ，读取机设备可为一段距离外的被动或无动力的标记提供动力。接 收机( 必须位于数英尺之外) 从“标记 中提取信息，然后在数据库中查找更多 信息。也有其它一些标记是自供动力、“主动 的标记，可从远距离读取。 i 强i d 可运行于低频( 小于1 0 0m h z ) 、高频( 超过1 0 0m h z ) 和特高频u h f ( 8 6 8 至9 5 4m h z ) 波段。 用途包括跟踪运输途中和零售店货架上的产品存货。 ( 9 ) 近距离无线通信( n f c ) n f c 论坛致力于n f c 的开发和推广。n f c 论坛的1 2 位发起成员包括万事达 卡国际组织、微软、摩托罗拉、n e c 、诺基亚、松下、飞利浦、瑞萨科技、三星 电子、索尼、德州仪器和s a 国际组织。 能力：在1 3 5 6 m h z 频率范围内，o 至2 0 厘米距离时的速率为2 1 2 k b p s 。 n f c 标准基于r f i d 技术。 n f c 的建议应用包括售票、付款和游戏。 支持被动通信模式，帮助节省电池电量。 ( 1 0 ) 近磁场通信 由a u mc o 咖u n i c a t i o n s 公司开发并许可的专利无线技术。 范围：1 5 至2 米；功率：约1 0 0 纳瓦；频率：1 0 至1 5 m h z 。在4 至6 英尺 直径的有效范围内建立弱磁泡并于其中工作。 目前此技术仅应用于无线耳机。由于它未集成于任何耳机中，因此必须配备 适配器，迄今仅在美国使用。 ( 1 1 ) h i p e r l a n 4 速度：h i p e r l a n 2 = 5 4 m b p s ，范围达5 0 至l o o 米。 目前仍未形成杀手级应用。 ( 1 2 ) h i p e r m a n 固定的无线接入标准，由欧洲电信标准协会( e u r o p e 锄t e l e c o m m u i l i c a t i o n s s t a l l d a r d si n s t i t u t e ，简称e t s i ) 开发。 运行于2 g h z 至1 1 g h z 之间的频谱波段，兼容可与i e e e 8 0 2 1 6 a - 2 0 0 3 标准互 操作。 ( 1 3 ) 8 0 2 2 0 被视为移动无线宽带无线接入。 最大数据率将达1m b p s ，运行于低于3 5g h z 的许可波段。 支持速度高达2 5 0 公里小时的车辆移动。 ( 1 4 ) z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a i l c e ) 的九家创始公司包括飞利浦、h o n e y w e l l 、三 菱电机、摩托罗拉、三星、b mg r o u p 、c l l i p c o n 、f r e e s c a l ea n de r n b e r ；拥有超过 7 0 位成员。 在1 0 1 0 0 米范围内，2 4 g h z 波段时速率为2 5 0 k b i t s ，9 1 5 m l l z 波段时速率为 4 0 k p b s ，8 6 8 m h z 波段时速率为2 0 k p b s 。 其目标是成为工业领域中的远程控制无线标准。 z i g b e e 技术以控制应用行业为目标，该行业不要求太高的数据率，但必须拥 有低功耗、低成本和使用方便( 远程控制、家庭自动化等) 等优点。 该规格于2 0 0 4 年1 2 月正式采用。 该规格在开发初期并未太过重视安全性。目前，其安全性分为3 个等级。 z i g b e e 和b l u e t o o m 的芯片成本都非常低。 经过以上分析可知，各种w l a n 技术各有优缺点。而蓝牙技术由于其低功耗、 出色的安全性、无以伦比的抗干扰能力和足以满足手机个人用户 2 1 m b p s ( b 1 u e t o o 吐也o + e d r ) 的传输速率，以及通用和成本优势使其成为理想选择。 1 3 蓝牙技术的发展现状 近年的蓝牙规范更新有： 2 0 0 4 年1 1 月1o 日：c o r es p e c i f i c a t i o nv 2 o + e d r ( e d r 传输率提升至2 3 m b p s ) 。 2 0 0 7 年0 7 月2 6 日：c o r es p e c i f i c a t i o nv 2 1 + e d r ( 简易安全配对、暂停与继续 加密、s n i f r 省电1 。 2 0 0 9 年0 4 月21 日：c o r es p e c i f i c a t i o nv 3 o + h s ( g e n 舒ca l t e n l a t em a c p h y ( a m p ) 集成i e e e8 0 2 1 1 速率提升至2 4 m b p s ) 。 2 0 0 9 年1 2 月0 7 日：c o r es p e c i f i c a t i o nv 4 o ( “b l u e t 0 0 ml o we n e 略) ，蓝牙低功 耗) 。 从2 0 0 6 年s i g 发布了技术发展路线图中，同时还推出了新的减少电源消耗和 多任务功能的技术说明。s i g 希望将来蓝牙技术能够实现宽带传输功能，在家庭安 全系统等消费电子产品中应用蓝牙技术。同时，实现一个条信息同时向多个设备 的传输，比如一台c d 播放器可以向多个耳机传输信号。由此可见，蓝牙技术将掀 起新一轮的热潮。蓝牙技术掀起的冲击波不可避免地波及到了中国。国内包括华 为、中兴通讯在内的加入b l u e t o o t h s i g 的企业、科研机构有3 0 多家，由来自国家 主管部门、企业界、学术界及科研机构共同发起成立的“蓝牙技术发展与应用论坛” 在推动蓝牙技术在国内的传播中发挥了重要作用。我国拥有全球最大的家电、移 动通信和计算机网，是蓝牙技术最大的潜在市场，已有越来越多的政府机构、企 业和科研机构意识到蓝牙技术给我国提供了一个难得的发展机遇，开始致力于这 一领域的研究。高校作为全国主要的研究型机构之一，当然也毫不例外地投入到 了蓝牙技术研究的热潮中。 免提应用作为蓝牙手机的标准配置，使得各种车载设备，头戴设备，掌上电 脑等通过手机的音频网关拨出电话，并支持类似电话会议的三方甚至多方通话功 能。 1 4 本文的内容安排 本文在第二章中详细介绍了形式化的协议软件开发方法，即通过形式化技术 s d l 语言和消息序列图对协议进行开发。采用形式化的开发方法相对于阅读协议 后直接编码的开发方法来说，具有更高的开发效率和质量。本文第三章对蓝牙协 议体系进行了深入的分析，并讨论了免提应用协议支持的各种功能；在第四章详 细的论述了基于状态机模型的异步多连接的免提框架设计，支持h f a g 端的共存， 支持多路h f a g 同时连接；优化了a t 命令的传输；本文第五章着重介绍了免提 应用的各个功能的实现研究，以及复杂场景下的情况讨论，并对l o o 多款手机做 了互联性以及功能性测试，对实现效果进行验证。 6 2 协议的形式化描述 2 1规范描述语言( s d l ) s d l ( s p e c i f i c a t i o na i l dd e s 嘶p t i o nl a i l g u a g e ) 语言是c c n t 推荐的规格与描述 性语言。由i t u t 发展和标准化，定义在蓝皮书z 1 0 0 建议中( 1 9 9 2 年，1 9 9 6 年 增补) 。作为国际标准化的正式语言，它被用来规范描述实时系统。目前，s d l 9 6 是s d l 的最新版本。作为s d l 相关技术，本文把z 1 2 0 建议：消息序列图( m e s s a g e s c q u e i l c ec h 矾s ，m s c ) 和z 10 5 建议：抽象语法符号( a b s t r a c ts ”t a xn o t a t i o n o n e ， a s n 1 ) 作为s d l 的一部分理解。 i t u 将s d l 描述为“实时系统的特性描述语言 。绝大多数s d l 概念有文本 和图形两种表述形式；由于缺乏某些范围内的高层结构和一些象c 语言的概念， s d l 并非编程语言。s d l 并不描述系统发展进程；因此，在实际应用中，开发人 员将应用用s d l 图形描述，再由s d l 工具将其转化为c 语言源代码，或者c h i l l 源代码，最后嵌入到实际开发环境中。 使用s d l ，可以半图形、半文本地定义特定类型的嵌入式系统的功能描述。 这种方法的高度正式性，使得s d l 工具有可能生成和测试完整的嵌入式应用。国 外大量软件评论家认为，s d l 的这种正式方法，应该推荐扩展应用到嵌入式系统 之外。事实上，如s d l 的消息顺序图，已经被普通的面向对象技术c a s e 工具， 如r a t i o n a lr o s e ，在交互式图形部分广泛采用。 s d l 的使用范围甚至可以超出电信领域的范畴。但是，s d l 也有一些限制。 s d l 不能适应所有类型的实时系统，例如系统需要描述精确行为，和( 或) 需要 处理复杂数学问题或类似变换，就不适合。需要大量进程间的紧密协作时也不合 适。s d l 可以很好地处理多种并行处理应用，但仅当它们可用消息传送和非优先 级排队模型很好地表述时。另外，s d l 难于表示系统的一套复杂静态规则和数据 关系，并缺乏对访问稳定数据的有效支持。 s d l 方法适合于以下系统： 主要与其他系统通讯( 嵌入式系统) ； 精确准时行为非关键； 与其他系统主要是数字通讯，而不是模拟信号； 无须执行复杂计算； 需要并发运行，异步通讯( 并行系统) ； 极少需要复杂数据关系模型。 s d l 使用有限状态机f s m 的概念来描述对象。s d l 进程本质上是对象，它们 7 具有各种不同的状态，在每种状态下发送、接收和处理进程消息，对封装的数据 完成处理，并具有确定的状态行为。当然，其数据处理能力远不如描述进程能力 强。s d l 进程的任务是处理输入消息队列。为了提高效率，s d l 进程并发运行， 相互之间异步通讯。s d l 进程之间也可以通过特定的“s d l 远程调用 信号同步 通讯。 由于s d l 的种种特性，它最适合的场合时描述呼叫处理和协议处理。事实上， 大量r r u t 的标准都是用s d l 描述的，或者象国标中常常采用消息顺序图( m s c ) 来描述。m s c 比s d l 图更加直观，但其描述不足以生成为实际应用程序，它一般 被用来作为系统设计用。在当前的多数s d l 软件工具中，都提供了从s d l 到m s c 的生成工具，用以作为后期设计系统的正确性验证用。在如t e l e l o 酉c 的s d t 软件 中，甚至提供了s d l 调试中动态m s c 跟踪功能。 对于主机数据库开发，用s d l 就不合适。因为在这里，需要大量单任务，同 步通讯一个进程调用另外一个进程。s d l 可以处理这种过程直接调用模型，但其 真正的长处在于处理并行多任务之间的异步通讯。当然，在协调并发任务之间的 同步机制上，s d l 仅提供了高级的支持。对于一部分流行的支持抢先式多任务的 操作系统，如p s o s 、v x w b r k s 、w i n 3 2 等，部分s d l 工具附带提供了s d l 与操 作系统的紧耦合接口库。 2 2 ；削息序列图( m s c ) 在描述实际通信系统时，通常同时使用s d l 和m s c 两种工具。m s c 主要用 于描述通信系统的一次执行过程中通信实体间以及与环境之间的消息交互过程。 m s c 很早就在丌u 的研究小组中使用，但直到1 9 9 0 年才有了一个标准，1 9 9 2 年 通过了m s c 的新标准z 1 2 0 。通过标准化才能实现更多的工具支持，不同工具所 生成文件之间的交互，以及从s d l 映射到m s c 。 s d l 和m s c 是两种在很多方面互补的系统描述方法。s d l 以进程为中心，清 晰而全面地描述单个s d l 进程的行为， 程，因而系统在很多方面不够直观透明。 但不能直接地表示几个进程间的通信过 与此相反，m s c 以消息交互为中心，描 述的是系统组件间以及与环境之间交互消息的通信行为，用类似于消息流图的形 式清晰地表述系统的执行轨迹。与s d l 相比，m s c 通常只描述了系统的部分行为， 因为每一个m s c 只能表示系统的一种或几种情况。所以，m s c 经常是用作s d l 描述的辅助手段。在系统开发的各个阶段，m s c 都可以弥补s d l 的不足。s d l 用于完整的静态的系统描述，而m s c 的优势在于动态地对协议运行的一个片断进 行清晰而直观的描述。 与s d l 类似，m s c 也有文本和图形两种语法形式，图形化描述可以转换为对 应的文本描述，但同时会丢失有关的一些图形信息。如图2 1 所示，m s c 图中主 要包括进程实例和消息、时钟、进程创建和终止等。 在图2 1 ( a ) 中，一条竖线代表一个进程实例，自上而下表示时间的先后顺序， 其间带箭头的横线表示消息，横线上有消息名，箭头指明了消息的传递方向。每 一条竖线自上而下显示了此进程实例按时间先后顺序而发生的各个事件，直到最 后此进程实例终止。m s c 图的边框即系统的环境。 a 舆壤的m s c 隰 b 时钟怒时 c 时钟潺零d 遂张变绷的创建 图2 1m s c 图 f i g u 2 1m s c 鳓 在图2 1 ( b 1 中，1 1 1 i t i a t o r 发出消息m 1 后，启动时钟t i m e r ，并等待返回消息的 到来，一直到时钟超时，此时i i l i t i a t o r 向上层服务用户发送相应的超时消息。 图2 1 ( c ) 中的“t i a t o r 在时钟超时之前收到了对端的返回消息，此时应将时钟 置位( r e s e t ) 。 通信系统在必要的时候应该能够创建新的进程实例。在图2 1 ( d ) 中，“t i a t o r 9 在特定的情况下，创建r e s p o n d e r 。此后，r e s p o n d e r 就可以自行执行下去，与其 他在系统初始时创建的进程实例没有区别。 m s c 图中的进程可以看作是一个黑箱，其内部动作对外不可见，m s c 描述的 是进程对外部可见的消息交互。 图2 1 ( a ) 中的m s c 可用文本描述如下： m s ce x 锄p l e l i n s t h l i t i a t o r ，r e s p o n d e r i 1 1 s t a n c e i n i t i a t o r ：p r o c e s s i n i t i a t o r ； i i l r e q 丘o me r ； o u tm l t or e s p o n d e r ； i nm 2 舫mr e s p o n d e r ； o u t c o n r oe n v ； e n d i n s t a n c e ； i n s t 锄c er e s p o n d e r ：p r o c e s s r c s p o n d e r ； i i lm 1 舶m h l i t i a t o r ； o u t i n d t oe n v ； i 1 1 r e s p f 硒me n v ； o u tm 2 t 0r e s p o n d e r ； e n d i n s t a n c e ； e n d m s c ； 很明显，这是一种面向进程实例的描述方法，不能很好的表示事件间的时序 关系。近年来出现了一种更好的面向事件的文本描述方法，其中事件按其可能的 执行顺序列出，而不再受限于进程实例。 在全局事件顺序比较重要的系统中，这种方法更好一些。上述m s c 按面向事 件方法来描述为： m s ce x 锄p l e l i n s t i i l i t i a t o r ，r e s p o n d e r ； i i l i t i a t o r ：i i l s t a i l c e h e a dp r 0 c e s s i n i t i a t o r ； r e s p o n d e r ：i n s t a l l c e h e a dp r o c e s s r e s p o n d e r ； i i l i t i 砷o r ：i i u e q f 幻me i l v ； “t i a t o r ：o u “n1t or e s p o n d e r ； r e s p o n d e r ：i nm 1f 而mi i l i t i a t o r ； r e s p o n d e r ：o u t i n d t oe i l v ； r e s p o n d e r ：i n r e s p 龟) me n ； l o r e s p o n d e r ：o u tm 2 t o h l i t i a t o r ； i i l i t i a t o r ：i nm 2 i 沁mr e s p o n d e r ； i i l i t i a t o r ：o u t c o n r oe r l v ； “t i a t o r ：e n d i n s t a n c e ； r e s p o n d e r ：e n d i n s t a n c e ； e n d m s c ； 这种方法更接近于图形化的m s c 图，也更利于消除系统描述的二义性。为了 利用这两种方法的长处，经常将二者结合起来使用。m s c 在系统验证、跟踪、调 试、仿真和测试集的描述中有重要的作用。 2 3 有限状态机f s m 有限状态机( f s m ：f i m t es t a t em a c l l i n e ) 经常被用来描述通信系统中协议实体 的行为。一个协议实体任何时候只能处于有限数目状态中的一个状态。在有限状 态机的接口处发生有效输入事件时，有限状态机从一种状态变迁到另一种状态， 在层接口处产生输出p d u ，同时可能伴有具体的内部动作，比如启动一个计时器， 对一个或多个有限状态机变量进行修改。 如图2 2 所示，接口处的有效输入事件包括： 1 ) 从上层接口收到一个服务原语； 2 ) 从下层接口收到一个服务原语； 3 ) 从与本地实体交互( 如计时器或管理子层) 的接口处收到一个服务原语。 州+ 1 ) 缀 n 屡 群一1 ) 层 图2 2 输入事件接口 f i g u r e2 2i n p u ti n t e r f a c e 所有的输入事件都假定是原子化的，一个协议实体在处理另一个事件之前要 执行与前一个事件相关的所有操作( 输出事件、具体动作、状态改变) ，从而保证 每个输入事件都以原子化的方式处理。每个接口都实现为两个队列：其中一个队 列用于实现对协议实体的输入，另。一个用于输出，协议实体以规定的方式服务于 这些队列。 2 3 1有限状态机的非形式化描述 有限状态机通常用事件状态表来表示。如下表所示，表中的每一登录项 指定对于此输入事件和当前状态适当的输出事件( 连同任何具体的动作) 和有限 状态机的新状态。有效的事件状态结合在表中才有登录项，所有其它的结合 为空登录项，是一种协议错误，应按预先规定的方法处理。 表2 1 有限状态机事件状态表 t a b l e2 1f s me v i e i l t s t a t et a b l e s os l s j s n 输入事件 l e 0 i e l i e i o e ( i j ) s k x i e m 上表中，o e ( i j ) s k x 表示有限状态机处于状态s j 时如果输入事件i e i ，则 产生输出事件o e ( i ，j ) ，执行具体动作x ，有限状态机跳转到状态s k 。有限状态机 的动作用状态转换图来表示就更直观。如图2 3 所示，用圆圈表示状态，状态之 间的连线表示状态的变迁，在连线上标出此次变迁的输入事件、输出事件和相关 的具体动作。 i 彰o a x 图2 3 有限状态机状态转换图 f i g u r e2 3f s ms t a t en a n s i t i o nd i a g r a m 2 3 2 有限状态机的形式化描述 结合通信系统的实际，有限状态机可以定义为一个五元组m = ( i ，o ，s ，d ， l ) ，其意义如下【州： i ：输入集合，包括请求响应服务原语，协议用户发送的抽象服务原语( a s p ) 以及从对等层来的p d u ； o ：输出集合，包括指示证实服务原语，送往协议用户的抽象服务原语( a s p ) 以及送往对等层的p d u ； s ：有限非空的状态集合，包括有限状态机可能达到的所有状态。在接收任何 输入以前，有限状态机处于初始状态s s ；s 的一个子集fs 包含了有限状态 机停止时处的所有可能状态，即终止状态； d ：状态转换函数，定义为d ：ixs _ s ； l ：输出函数，定义为l ：i s _ o 。 有限状态机从初始状态s 开始运行，每一次状态变迁都对应其状态转换函数 和输出函数的一次执行，最终，有限状态机停止于f 中的一个最终状态上。 2 3 3 扩展的有限状态机 上述有限状态机应用起来尚有一些不足之处，如不能方便地处理变量和变量