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AliOS Things网络适配框架 - SAL

摘要: 很多物联网应用场景中,都需要使用主控MCU外接连接芯片(如WiFi、NB-IoT)的解决方案。为方便这类场景的开发,AliOS Things提供了Socket Adapter Layer(SAL)框架和组件方案

AliOS Things中提供了丰富的SAL开发组件,来加速MCU+通信连接芯片的应用场景开发和部署。在此类应用场景中,主控MCU芯片通过UART或SPI总线与WiFi、NB-IoT等通信芯片相连,AliOS Things操作系统和用户APP运行在主控MCU中,需要网络数据访问时,通过外接的通信芯片进行网络负载的接收和发射。主控MCU和外接通信芯片之间的通信,可以是AT Command通道,也可以是厂商私有协议通道。

图片描述
AliOS Things SAL方案概述
目前,AliOS Things提供了atparser、at_adapter、SAL等开发组件。借助这些组件,用户可以方便地进行应用开发,同时这些组件也方便厂商在现有MCU产品基础上通过外接通信芯片方式扩展网络访问能力。下图展示了AliOS Things提供的SAL组件和方案架构:

图片描述
其中,atparser组件提供了基础的AT Command访问接口和异步收发机制。用户可以直接访问atparser组件提供的接口进行应用开发。上层应用直接通过atparser访问网络是,需要自行处理AT命令细节。

基于atparser的基础上,AliOS Things进一步提供了Socket Adapter Layer(SAL)组件(即上图中的方案一)。SAL组件提供AT通道或厂商私有协议通道(如高通通信模组的WMI)到Socket套接字(如socket、getaddrinfo、send、recvfrom等)接口的对接。通过SAL组件,应用层不需要关注通信芯片底层操作的细节,只需要通过标准的Socket接口来达到访问网络的目的。SAL组件支持大多数常用的Socket接口。SAL组件可以很大程度上提高应用层开发的效率,显著降低应用层开发的难度。

此外,AliOS Things还提供了另外一种基于AT Command的网络访问方案 - SAL LwIP模式(即上图中的方案三)。SAL LwIP模式基于at_adapter组件工具。at_adapter组件提供AT底层到LwIP的对接,即AT通道作为LwIP的一个网络接口(netif)。使用该方案时,应用层通过标准的Socket接口访问网络,不需要关注底层AT细节。该方案无缝对接LwIP协议栈,应用层可以使用所有LwIP提供的接口和服务。但该方案需要连接芯片固件支持IP包收发模式,目前庆科的moc108已经支持该模式。

atparser组件
atparser组件是AliOS Things SAL框架的基础组件之一,它提供统一和规范的AT命令访问接口(如at.send、recv、write、read、oob等)和异步收发机制(at_worker)。目前atparser组件仅支持了UART连接方式。

atparser有两种工作模式,即NORMAL模式和ASYN模式。工作模式的选择在atparser组件的初始化时进行。

NORMAL模式下,仅支持上层应用以单进程/线程方式访问AT(同一时刻只有一个进程访问AT)。由于AT底层通过串行方式(UART或其他)发送和接收数据,在多进程情况下,多个AT读写可能会产生数据交叉,从而造成AT访问的混乱及错误。下面是在NORMAL模式下,使用AT接口的示例(连接WiFi AP):

if (at.send("AT+WJAP=test_AP,test_passwd") == false) {
  printf("at.send failed.\r\n");
  return -1;
}
// Read AT cmd response right after a cmd is sent
if (at.recv("OK") == false) {
  printf("Connecting AP failed.\r\n");
  return -1
}

在ASYN模式下,支持AT命令的多进程访问以及收据的异步接收。系统中只有一个线程(at_worker)负责读取AT数据,发送线程发送完AT命令后,等待at_worker线程唤醒;at_worker线程接收到对应AT命令的结果数据后,将结果传递给发送线程,并唤醒发送线程继续执行。发送线程确保一个AT命令发送是原子操作。在ASYN模式下,可以支持多个进程对AT的访问。

AT事件的处理(例如网络数据到达),通过注册的oob回调函数处理。at_worker线程负责识别AT事件并通过调用oob回调函数处理AT事件和数据。

Socket Adapter Layer (SAL)
SAL模块提供基于AT Command或厂商私有协议方案实现的标准Socket接口访问。下图是SAL(方案一)的架构图。

图片描述
SAL对上(应用层)提供标准Socket接口访问。目前SAL支持多数常用的Socket接口,后续还将持续演进。以下是SAL目前支持的Socket接口:

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset,
           fd_set *exceptset, struct timeval *timeout);
int socket(int domain, int type, int protocol);
int write(int s, const void *data, size_t size);
int connect(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen);
int bind(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen);
int eventfd(unsigned int initval, int flags);
int setsockopt(int s, int level, int optname,
               const void *optval, socklen_t optlen);
int getsockopt(int s, int level, int optname,
               void *optval, socklen_t *optlen);
struct hostent* gethostbyname(const char *name);
int close(int s);
int sendto(int s, const void * data, size_t size, int flags,
           const struct sockaddr * to, socklen_t tolen);
int send(int s, const void *data, size_t size, int flags);
int shutdown(int s, int how);
int recvfrom(int s, void *mem, size_t len, int flags,
             struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen);
int recv(int s, void *mem, size_t len, int flags);
int read(int s, void *mem, size_t len);
void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai);
int getaddrinfo(const char *nodename, const char *servname,
                const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);
void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai);
int shutdown(int s, int how);
int getaddrinfo(const char *nodename, const char *servname,
                const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);
int fcntl(int s, int cmd, int val);

SAL层对下抽象了通信模组/芯片访问控制层接口(如下),不同厂家的连接模组/芯片,可以通过对接底层控制访问层接口来对接和支持SAL。

typedef struct sal_op_s {
    char *version;
    int (*init)(void);
    int (*start)(at_conn_t *c);
    int (*send)(int fd, uint8_t *data, uint32_t len,
                char remote_ip[IP_LEN], int32_t remote_port);
    int (*domain_to_ip)(char *domain, char ip[IP_LEN]);
    int (*close)(int fd, int32_t remote_port);
    int (*deinit)(void);
    int (*register_netconn_evt_cb)(netconn_evt_cb_t cb);
} sal_op_t;

SAL LwIP模式
AliOS Things还提供了SAL LwIP模式(方案二)。该方案区别于方案一的地方在于,主控MCU上运行完整的LwIP协议栈,LwIP协议栈底层通过AT方式访问网络;方案一中主控MCU侧不运行协议栈。

该方案的运行方式类似于MCU行业常用的SLIP(Serial Line Internet Protocol)方案,区别在于底层使用厂商模组/芯片的AT Command命令和服务,厂商模组/芯片不需要额外再支持SLIP通信。

at_adapter组件提供AT底层到LwIP网络接口(netif)的对接。通过netif的对接,AT通道可以无缝对接上LwIP。该模式下,SAL对上层应用提供完整的TCP/IP协议栈接口和服务。该方案的缺点是需要AT通信模块固件支持IP包传输,目前moc108已经支持该模式。

总结
综上所述,AliOS Things提供了丰富的SAL组件和方案。AliOS Things提供的SAL框架和组件,具有以下优势:

为主控MCU外接连接芯片场景提供完整解决方案;
可以降低上层应用开发基于外接连接芯片场景的应用的难度,提高开发效率,加速产品部署;
方便模组和设备厂商在现有成熟的MCU产品和方案上,通过外接通信芯片方式扩展网络连接能力,而不需要将先有的MCU芯片切换成WiFi或其他具有网络通信能力的平台。

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