usrp_source的接收消息处理机制

usrp_source接收消息处理机制剖析

原创于 2025-03-29 16:14:19 发布 · 1.0k 阅读

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#c++ #信息与通信

一、引言

在软件无线电领域中，USRP（Universal Software Radio Peripheral）设备是常用的硬件平台，usrp_source 作为从 USRP 设备获取数据的重要模块，其消息处理机制对于系统的稳定运行和有效控制起着关键作用。本文将结合相关代码，深入剖析 usrp_source 的消息处理机制。

二、代码结构概述

所提供的代码是 usrp_source 实现的一部分，属于 GNU Radio 框架中与 UHD（Universal Hardware Driver）相关的内容。代码定义了 usrp_source 类及其实现类 usrp_source_impl，涵盖了设备参数设置、消息端口管理、命令处理等多个与消息处理相关的功能模块。

三、usrp_source消息处理关键部分

（一）消息端口管理

消息端口注册
在 usrp_source_impl 的构造函数中，通过以下代码注册了一个输出消息端口：

message_port_register_out(ASYNC_MSGS_PORT_KEY);

这表明 usrp_source 模块能够通过 ASYNC_MSGS_PORT_KEY 这个端口向外发送异步消息。异步消息的发送可以用于通知上层应用程序一些重要的事件，例如设备状态的变化或者错误情况的发生。

（二）命令处理机制

命令处理函数注册
构造函数中还包含了命令处理函数的注册代码：

register_msg_cmd_handler(cmd_tag_key(),
                         [this](const pmt::pmt_t& tag, const int, const pmt::pmt_t&) {
                             this->_cmd_handler_tag(tag);
                         });

这里使用 register_msg_cmd_handler 函数注册了一个处理特定命令的函数。当接收到与 cmd_tag_key() 相关的命令消息时，会调用 lambda 表达式中定义的函数，最终执行 _cmd_handler_tag 函数。

命令处理函数 _cmd_handler_tag

void usrp_source_impl::_cmd_handler_tag(const pmt::pmt_t& tag) { _tag_now = true; }

_cmd_handler_tag 函数的作用是将 _tag_now 标记设置为 true。当数据接收正常且 _tag_now 为 true 时，会创建与数据相关的时间戳、采样率、中心频率等元信息标签，并将其添加到输出数据的相应通道上。这是因为当模块接收到异步消息时,设备参数或状态可能发生了改变，所以需要更新这些元信息以保证数据的准确性和完整性。然而，令人费解的是，usrp_source仅仅更新了 _tag_now ，却并未读取消息的任何具体内容，也没有依据usrp_source设置的举动。但更新_tag_now又表明 USRP 的设备参数或状态发生了改变，进而需要更新数据流标签
这其实是因为usrp_source的消息处理机制实际上继承自usrp_block的消息处理机制。

四、usrp_block的消息处理机制

（一）消息端口与命令注册

消息端口注册
在usrp_block_impl的构造函数中，通过如下代码注册了一个输入消息端口：

message_port_register_in(pmt::mp("command"));

这使得usrp_block能够接收来自外部的命令消息，为设备的参数设置和状态控制提供了入口。

命令处理函数注册
构造函数中还大量使用宏定义来注册各种命令处理函数：

#define REGISTER_CMD_HANDLER(key, _handler)                                   \
    register_msg_cmd_handler(                                                 \
        key, [this](const pmt::pmt_t& var, int chan, const pmt::pmt_t& msg) { \
            this->_handler(var, chan, msg);                                   \
        })
// Register default command handlers:
REGISTER_CMD_HANDLER(cmd_freq_key(), _cmd_handler_freq);
REGISTER_CMD_HANDLER(cmd_gain_key(), _cmd_handler_gain);
REGISTER_CMD_HANDLER(cmd_power_key(), _cmd_handler_power);
// 其他命令处理函数注册...

通过register_msg_cmd_handler函数，将不同的命令关键字（如cmd_freq_key、cmd_gain_key等）与对应的处理函数（如_cmd_handler_freq、_cmd_handler_gain等）关联起来。当接收到包含这些命令关键字的消息时，相应的处理函数将被调用。

（二）命令消息处理流程

消息格式转换与校验
在msg_handler_command函数中，首先对接收到的消息进行处理。如果消息是元组格式（这是一种旧的消息格式），会将其转换为字典格式，以保证后续处理的一致性：

if (pmt::is_tuple(msg)) {
    if (pmt::length(msg) != 2 && pmt::length(msg) != 3) {
        d_logger->alert("Error while unpacking command PMT: {}",
                        pmt::write_string(msg));
        return;
    }
    pmt::pmt_t new_msg = pmt::make_dict();
    new_msg = pmt::dict_add(new_msg, pmt::tuple_ref(msg, 0), pmt::tuple_ref(msg, 1));
    if (pmt::length(msg) == 3) {
        new_msg = pmt::dict_add(new_msg, cmd_chan_key(), pmt::tuple_ref(msg, 2));
    }
    d_debug_logger->warn("Using legacy message format (tuples): {}",
                         pmt::write_string(msg));
    return msg_handler_command(new_msg);
}

接着，确保消息是字典格式，如果不是则记录错误并返回：

if (!(pmt::is_dict(msg)) && pmt::is_pair(msg)) {
    d_logger->debug(
        "Command message is pair, converting to dict: '{}': car({}), cdr({})",
        pmt::write_string(msg),
        pmt::car(msg),
        pmt::cdr(msg));
    msg = pmt::dict_add(pmt::make_dict(), pmt::car(msg), pmt::cdr(msg));
}
if (!pmt::is_dict(msg)) {
    d_logger->error("Command message is neither dict nor pair: {}",
                    pmt::write_string(msg));
    return;
}

消息内容处理

时间戳处理：如果消息中包含时间戳相关的关键字cmd_time_key，则根据消息中的时间信息设置设备的命令时间：

if (pmt::dict_has_key(msg, cmd_time_key())) {
    size_t mboard_index = pmt::to_long(pmt::dict_ref(
        msg,
        cmd_mboard_key(),
        pmt::from_long(::uhd::usrp::multi_usrp::ALL_MBOARDS) // Default to all mboards
        ));
    pmt::pmt_t timespec_p = pmt::dict_ref(msg, cmd_time_key(), pmt::PMT_NIL);
    if (timespec_p == pmt::PMT_NIL) {
        clear_command_time(mboard_index);
    } else {
        ::uhd::time_spec_t timespec(
            time_t(pmt::to_uint64(pmt::car(timespec_p))), // Full secs
            pmt::to_double(pmt::cdr(timespec_p))          // Frac secs
        );
        d_debug_logger->debug("Setting command time on mboard {}", mboard_index);
        set_command_time(timespec, mboard_index);
    }
}

通道与方向处理：读取消息中的通道号chan和方向信息，方向信息会影响设备参数设置的目标方向（如接收或发送），并且方向信息的存在可能会强制设备进行频率调谐：

int chan = int(pmt::to_long(pmt::dict_ref(msg,
                                          cmd_chan_key(),
                                          pmt::from_long(-1) // Default to all chans
                                          )));
_force_tune = pmt::dict_has_key(msg, cmd_direction_key());

命令值处理：遍历消息中的所有键值对，根据命令关键字调用相应的处理函数进行处理：

pmt::pmt_t msg_items = pmt::dict_items(msg);
for (size_t i = 0; i < pmt::length(msg_items); i++) {
    try {
        dispatch_msg_cmd_handler(pmt::car(pmt::nth(i, msg_items)),
                                 pmt::cdr(pmt::nth(i, msg_items)),
                                 chan,
                                 msg);
    } catch (pmt::wrong_type& e) {
        d_logger->alert("Invalid command value for key {}: {}",
                        pmt::write_string(pmt::car(pmt::nth(i, msg_items))),
                        pmt::write_string(pmt::cdr(pmt::nth(i, msg_items))));
        break;
    }
}

在dispatch_msg_cmd_handler函数中，根据之前注册的命令处理函数映射表_msg_cmd_handlers，调用对应的处理函数：

void usrp_block_impl::dispatch_msg_cmd_handler(const pmt::pmt_t& cmd,
                                               const pmt::pmt_t& val,
                                               int chan,
                                               pmt::pmt_t& msg)
{
    if (_msg_cmd_handlers.has_key(cmd)) {
        _msg_cmd_handlers[cmd](val, chan, msg);
    }
}

例如，_cmd_handler_freq函数用于处理频率相关的命令消息，它会根据消息中的频率值和其他相关信息（如本振偏移）更新设备的调谐请求：

void usrp_block_impl::_cmd_handler_freq(const pmt::pmt_t& freq_,
                                        int chan,
                                        const pmt::pmt_t& msg)
{
    const pmt::pmt_t direction = get_cmd_or_default_direction(msg);
    double freq = pmt::to_double(freq_);
    ::uhd::tune_request_t new_tune_request(freq);
    if (pmt::dict_has_key(msg, cmd_lo_offset_key())) {
        double lo_offset =
            pmt::to_double(pmt::dict_ref(msg, cmd_lo_offset_key(), pmt::PMT_NIL));
        new_tune_request = ::uhd::tune_request_t(freq, lo_offset);
    }
    _update_curr_tune_req(new_tune_request, chan, direction);
}

_update_curr_tune_req函数会根据通道号和方向，更新当前的调谐请求，并标记相应通道需要重新调谐：

void usrp_block_impl::_update_curr_tune_req(::uhd::tune_request_t& tune_req,
                                            int chan,
                                            pmt::pmt_t direction)
{
    if (chan == -1) {
        for (size_t i = 0; i < _nchan; i++) {
            _update_curr_tune_req(tune_req, int(i), direction);
        }
        return;
    }
    if (pmt::eqv(direction, direction_rx())) {
        if (tune_req.target_freq != _curr_rx_tune_req[chan].target_freq ||
            // 其他条件判断
            _force_tune) {
            _curr_rx_tune_req[chan] = tune_req;
            _rx_chans_to_tune[chan] = true;
        }
    } else {
        // 类似的发送方向处理
    }
}

频率调谐检查：在处理完所有命令消息后，检查是否需要对所有通道进行频率调谐，并执行相应的调谐操作：

_set_center_freq_from_internals_allchans();
_force_tune = false;

_set_center_freq_from_internals_allchans函数会遍历所有通道，根据之前标记的需要调谐的通道，执行实际的频率设置操作：

void usrp_block_impl::_set_center_freq_from_internals_allchans()
{
    for (size_t chan = 0; chan < _rx_chans_to_tune.size(); chan++) {
        if (_rx_chans_to_tune[chan]) {
            _set_center_freq_from_internals(chan, direction_rx());
            _rx_chans_to_tune[chan] = false;
        }
    }
    for (size_t chan = 0; chan < _tx_chans_to_tune.size(); chan++) {
        if (_tx_chans_to_tune[chan]) {
            _set_center_freq_from_internals(chan, direction_tx());
            _tx_chans_to_tune[chan] = false;
        }
    }
}

四、总结

usrp_source 的消息处理机制通过消息端口的注册与管理、命令处理函数的设置以及错误消息的处理等多个环节协同工作。此外,还需要注意usrp_source通过继承usrp_block的消息处理机制，在接收到消息后，虽然表面上只是更新了_tag_now，但实际上是依赖usrp_block内部复杂的命令处理流程来修改设备参数。usrp_block负责接收、解析和处理各种命令消息，包括设备的频率、增益、功率、天线等参数的设置，以及时间同步、GPIO控制等操作。这种分层的消息处理机制，使得usrp_source能够专注于数据获取功能，而将消息处理的重任交给usrp_block，提高了代码的模块化和可维护性。