（机械工程专业论文）基于嵌入式linux的网络测量和优化应用开发.pdf

摘要 目前，中国正在积极进行移动通信网络的建设。无线移动通信网络的运行、 维护与优化是一项长期的、复杂的工作。随着移动通信网络的迅猛发展，网络规 模不断扩大，用户数量急速上升，网络面临的新问题、新挑战也越来越多。所以 未来移动通信网络运营商迫切需要建立自己的网络评估和优化平台来监测、评估 无线网络质量，以便及时地发现移动通信网络问题的症结。 嵌入式实时l i n u x 操作系统以其内核开源，可移植性强，稳定可靠，易于 剪裁等诸多优势正在被广泛的采用，成为新兴的力量。将嵌入式l i n u x 操作系 统和a m r 9 开发平台相结合，为无线移动通信网络的性能提供各种有效的信息并 通过互联网向有关人员进行实时的汇报，这是将嵌入式与无线移动通信网络各自 的优点进行融合的一项实用性，创新性研究。 本文重点研究了基于l i n u x 操作系统的嵌入式平台工作的基本原理。结合 无线移动通信网络技术，从理论角度和实践角度证明了此无线移动通信网络测试 和优化平台的可行性。首先，对整个无线移动通信网络测试优化系统的基本构架 进行了描述；然后针对该网络测试优化系统中的网络测试终端子系统进行了硬件 架构方面的设计。接下来，对网络测试终端的内核和应用层软件进行了开发。最 后，对测试终端子系统和整个网络测试优化系统之间交互的通信协议进行了设计。 关键词：嵌入式l i n u x 进程调度算法网络测量跨系统衔接技术 a b s t r a c t c u r r e n t l y , c h i n ai sa c t i v e l yc a r r y i n go u tt h ec o n s t r u c t i o no ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k t h eo p e r a t i o n , m a i n t e n a n c ea n do p t i n f i z a t i o no fw i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sal o n g - t e r ma n dc o m p l e xw o r k w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r l 【，t h es i z eo f n e t w o r ka n dt h en u m b e ro f u s e r sa r ee x p a n d i n g , l e a d i n gt on e wp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e s n e t w o r ko p e r a t o r so f f u t u r en e e dt oe s t a b l i s ht h e i ro w nn e t w o r ke v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o np l a t f o r mw i t h a nu r g e n tt om o n i t o ra n da s s e s sq u a l i t yo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k , i no r d e rt h a tt h ec r u x o f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mw o u l db et i m e l yf o c u s e d w i 也s o u r c e - o p e n , s t r o n gp o r t a b i l i t y , s t a b i l i t y a n de a s y - c u s t o m i z i n g , t h e e m b e d d e dr e a l - t i l el i n u xo p e r a t i n g s y s t e mh a sb e e nw i d e l ya d o p t e d t h e c o m b i n i n go fo p e r a t i n gs y s t e ma n da m r 9d e v e l o p m e n tp l a t f o r m 、航mw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp 捌融猢c ep r o v i dav a r i e t yo fe f f e c t i v ei n f o r m a t i o nt ot h e r e l a t e dp e r s o n n e li at h ei n t e r n e t t h i si sa p r a c t i c a l ，i n n o v a t i v er e s e a r c ho fi n t e g r a t i n g t h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so fe m b e d d e dw i t hw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eb a s i c p r i n c i p l e so fe m b e d d e dp l a t f o r mb a s e do n l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m c o m b i n i n g 、j v i t l lw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k t e c h n o l o g y , a r t i c l ep r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ep l a t f o r mf i r mt h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lp e r s p e c t i v e s f i r s t , t h e b a s i cf r a m e w o r ko ft h ew i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o nt e s ts y s t e ma r ec a r e f u l l yd e s c r i b e di np a p e r ；, s e c o n d , d e s i g n i n gt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h en e t w o r kt e s tt e r m i n a l s u b s y s t e m so ft h en e t w o r ko p t i m i z a t i o nt e s ts y s t e m t h i r d , t h ek e r n e lo fn e t w o r kt e s t t e r m i n a la n dt h es o r w a r eo f a p p l i c a t i o nl a y e r a r c d e v e l o p e d f i n a l y , t h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et e s tt e r m i n a ls u b s y s t e ma n dt h ew h o l e n e t w o r kt e s ts y s t e ma r ed e s i g n e d k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x p r o c e s s - s c h e d u l i n ga l g o r i t h m n e t w o r km e a s u r e m e n t s y s t e m c o n n e c t i n gt e c h n o l o g y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式l i n u x 技术概述 嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入 式计算机系统上运行的一种操作系统。 选择l i n u x 作为嵌入式操作系统【l j 有以下几个非常重要的原因： 首先，l i n u x 内核是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是l i n u x 开发者的强大技术支持。 其次，l i n u x 的内核小、效率高，内核的更新速度很快。l i n u x 操作系统的内 核是可以定制的，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。l i n u x 这种内核可定制的特点 为硬件资源相对紧缺的嵌入式平台提供了很大的方便。 最后，l i n u x 是免费的o s ，在价格上极具竞争力。l i n u x 还有着嵌入式操作 系统所需要的很多特色，突出的就是l i n u x 适应于多种c p u 和多种硬件平台，是 一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种c p u 。而且性能稳定，裁 剪性很好，开发和使用都很容易。很多c p u 包括家电业芯片，都开始做l i n u x 的 平台移植工作。 嵌入式l i n u x 秉承了桌面l i n u x 的许多优秀特性 2 3 1 ，在以下几方面尤为突出： ( 1 ) 设备独立性：操作系统把所有外部设备统一看成文件来看待，只要安装它 们的驱动程序，用户可以象使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它 们的具体存在形式。嵌入式l i n u x 是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有 高度适应能力 ( 2 ) 提供了丰富的网络功能：嵌入式l i n u x 完全可以被定制成具有多种网络接 入和管理功能网络操作系统，完善的内置网络是嵌入式l i n u x 一大特点。 ( 3 ) 可靠的安全系统：嵌入式l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读、写 控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户 提供了必要的安全保障。 目前几款成熟的嵌入式l i n u x 操作系统介绍 ( 1 ) r t - l i n u x 0 嵌入式操作系统 由美国墨西哥理工学院开发，到目前为止，r t - l i n u x 已经成功地应用于航天 飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像处理等广泛领域。r t - l i n u x 开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写l i n u x 的内核，因为这样做的工作 量非常大，而且要保证兼容性也非常困难。为此，r t - l i n u x 提出了精巧的内核， 2 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 并把标准的l i n u x 核心作为实时核心的一个进程，同用户的实时进程一起调度。 这样对l i n u x 内核的改动非常小，并且充分利用了l i n u x 下现有的丰富的软件资 源。 ( 2 ) u c l i n u x t 5 ，6 1 嵌入式操作系统 l i n e o 公司的主打产品，也是开放源码的嵌入式l i n u x 的典范之作。u c l i n u x 主要针对目标处理器没有存储管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 的嵌 入式系统而设计的。由于没有m m u ，其多任务的实现需要一定技巧。它秉承了 标准l i n u x 的优良特性，经过各方面的小型化改造，形成了一个高度优化的、代 码紧凑的嵌入式l i n u x 。虽然它的体积很小，却仍然保留了l i n u x 的大多数的优 点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准 丰富的a p i 。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，目前己支持多款c p u 。 其编译后目标文件可控制在几百k b 数量级，并已经被成功地移植到很多平台上。 。( 3 ) e m b e d i x t 7 1 嵌入式操作系统：+ ， 由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l u n e o 推出的，是根据嵌入式应用系统的 特点重新设计的l i n u x 发行版本，可以免费获得。e m b e d i x 提供了超过2 5 种的 l i n u x 系统服务，包括w e b 服务器等。系统需要最小8 m b 内存，3 m br o m 或快 速闪存。e m b e d i x 基于l i n u x2 2 内核，并已经成功地移植到了i n t e lx 8 6 和p o w e r p c 处理器系列上。l u n e o 还发布了另一个重要的软件产品，它可以让在w m d o w sc e 上运行的程序能够在e m b e d i x 上运行。l u n e o 还将计划推出e m b e d i x 的开发调试 工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说，e m b e d i x 是一种完整的嵌入式l i n u x 解决方案。 1 2 嵌入式l i n u x 技术在移动通信网络测量和优化方向的应用 l i n u x 内核的结构【8 】在网络应用方面是非常完整的，l i n u x 对网络中最常用的 t c p i p 协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无 线网络光纤甚至卫星的支持。所以l i n u x 很适于做与网络领域密切相关的开发。 使用l i n u x 开发移动通信网络相关产品的案例越来越多，这是因为l i n u x 在 快速增长的无线连接应用主场中有一个非常重要的优势，那就是有足够快的开发 速度。l i n u x 提供了很多网络开发工具，使用这些网络开发工具开发出来的产品 有着非常优秀的稳定性和实时性【9 】。 由于移动通信网络测量终端这种产品往往要具有体积小，重量轻甚至是便于 携带等特点。所以内核可裁剪的l i n u x 是该类产品首选的操作系统。且l i n u x 固 有的模块性，适应性和可配置性可帮助网络测量终端实现多功能与灵活性的需求。 以下两款无线网络产品是嵌入式l i n u x 在移动通信领域内的具体应用 第一章绪论 3 ( 1 ) 移动通信网络管理系统( 如图1 1 ) 此设备能够进行详细的a s n 1 解码【1 川并且支持多终端多网络并行测试，能够 满足t d 网络建设、初期优化、网络评估、日常优化各个阶段的需求。 图1 1 移动通信网络管理系统 ( 2 ) 移动通信网络监测系统( 如图1 - 2 ) 此设备能够进行双射频单元的配置和自动信道的选择并支持两种网络制式的 非法接入监测。 图1 2 移动通信网络监测系统 1 3 课题的提出 近年来，随着嵌入式行业的发展，尤其是以l i n u x 为核心的嵌入式操作系统 的迅猛发展，对嵌入式产品的多样性、稳定性、实时性和灵活性提出了更高的要 求。嵌入式l i n u x 技术l 方面要在产品功能方面不断完善，除了在工业领域有 所作为外还要在人们的日常生活领域有所突破；另一方面又不能单纯的以实现功 能的多样化为目标，还要为产品的稳定性和数据安全性提供保障。 在嵌入式l i n u x 应用于移动通信网络测量与优化之前，这些所谓的移动通信 网络测和试优化设备并没有起到真正意义上的网络优化功能，这些缺乏操作系统 支持的网络测试设备对网络性能的测试也仅仅是对移动通信网络参数的简单采 集，而且这些采集往往因为网络环境等各种原因出现数据丢失、失序和重复现象。 当将嵌入式l i n u x 技术融入以后，这些移动通信网络测试和优化设备【1 2 】在功 能和稳定性方面得到了显著的提高，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 能对基于参数、消息、事件和函数等信息的网络数据进行过滤； 4 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 c ) 能对采集的网络数据进行统计分析并查看结果； ( 3 ) 提供了打开网络数据文件、将网络参数导入文件、特殊文件合并等功能； ( 4 ) 提够详细、完整、准确的信令解码，全面准确的网络事件判断及扩展； 一 ( 5 ) 提够网络多接口，具有了多接口数据的分析能力； ( 6 ) 支持了海量网络数据文件的加载处理，海量网络数据的地图展现； ( 7 ) 支持了多种网络制式的对比分析处理； ( 8 ) 支持内置强大的网络性能专家分析库，提供多种专家分析工具； 近年来，由于移动通信网络领域的的快速扩展，在移动通信应用的场合对嵌 入式设备提出了期望和明确要求。因此，对嵌入式l i n u x 在移动通信网络测量和 优化方向上的研究具有重要的现实意义。 1 4 1 论文的主要工作 1 4 论文的主要工作和论文结构 1 l i n u x 内核架构研究 通过对x 8 6 系列体系架构下l i n u x 内核功能模块的理解和分析比较，结合通 用计算机操作系统原理以及a r m 体系架构下l i n u x 系统的扩展应用，对嵌入式 l i n u x 操作系统的内核裁剪和定制做了理论上的铺垫。 2 完成测试终端各种特定设备的底层驱动 以测试终端的功能需求为依据集成对应的外围硬件设备，并为这些硬件设备 编写符合l i n u x 驱动架构的底层驱动程序并对重要的硬件驱动进行了单调测试。 3 嵌入式l i n u x 测试终端软件设计及实现 通过对移动通信网络特性原理的研究，结合日常客户端对移动通信网络性能 的需求定制了十种测试手段。在软件开发中基于l i n u x 的k d e v e l o p 集成开发环境 并通过a r m 1 i n u xg c c 交叉编译环境完成各个子功能模块的开发。 1 4 2 论文结构 本文共分七部分： 第一章，概要性的说明了论文的研究背景、嵌入式l i n u x 技术的国内外发展 动态和该技术在移动通信网络测量和优化中的应用，以及论文的主要工作及研究 意义。 第二章，描述本设计的移动通信网络测试和优化系统的组成和各个子系统的 功能特点。 第三章，对移动通信网络测试和优化系统中的子系统一测试终端进行了硬件 第一章绪论 5 架构上的设计并对架构的合理性做了深入的探讨。 第四章，对移动通信网络测试和优化系统中的子系统一测试终端所使用的嵌 入式l i n u x 操作系统在内核架构的层面上进行了深度开发。深入研究了内核中对 进程活动进行安排的任务调度器，并在此基础上对调度器进行优化。对内核中的 虚拟文件系统进行了改进。对内核定时器模块，网络系统等进行了移植和裁剪。 第五章，对该测试终端具有的各个功能进行了详尽的描述。对每个功能的实 现流程进行了详尽的设计并对实现过程中与系统中其它成员的协调与配合过程进 行了重点的讲解。 第六章，对测试终端与系统其它成员之间交互的通信协议进行了描述。结合 通信实时性和准确性的前提对这些通信协议的优劣进行了分析。最后对这些通信 协议的功能进行了层次上的划分。 第七章，是对全文的总结和对该项工作的展望，在对论文工作进行总结的基 础上，对嵌入式l i n u x 网络测量和优化领域及本文的后续工作做了简要论述。 6 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 第二章网络测试优化系统总体布局设计 第二章移动通信网络测试和优化系统总体布局设计 2 1 系统整体功能概述 整个移动通信网络综合测试优化系统由服务器( r a d i oc l o u dc e n t e r ) 、c s 监 控客户端( r a d i od i s c o v e r y ) 、w e b 监控客户端( r a d i on a v i g a t o r ) 和测试终端 ( p r o b e ) 四大部分构成。 该移动通信网络综合测试和优化系统1 1 3 】的功能是通过嵌入式测试终端采集 移动通信网络数据，然后通过互联网向服务器导入数据，并由服务器采用云计算， 系统消息平台等技术实现g s m g p r s e d g e t d 等多种制式网络的室内室外对比 测试和分析，最后将分析结果通过互联网提供给c s 监控客户端。测试人员也可 以通过c s 监控客户端和w e b 监控客户端下达具体定制的测试命令给测试终端， 实现互动过程。确保客户端对任意时刻，多种网络，多种测试策略的综合测试要 求，以及对网络质量问题发现，深入剖析和定位的要求。 2 2 系统成员功能概述 1 、系统服务端( r a d i oc l o u dc e n t e r ) 负责与p r o b e 测试终端和客户监控端进 行指令和数据的通讯。 系统服务端概念 1 3 , 1 4 部署架构如下图所示： 汐凰 琵焉勇受茧爱强匿墨受麓黝 衫- u h 它由坐 三二- 羔釜警，j 弋画i - 二一- - ，二。： 弋罡竺兰多 2 、系统中的两个客户端，c s 监控客户端和w e b 监控客户端接收p r o b e 测试 及统计结果数据并对测试终端进行管理。 监控端概念【1 q 部署架构如下图所示： 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 e v e r t l l e v e m 2 e v e n t3 e v e n tn 在v e n tc h a n n ；h e v e n t l 匕荔= ：复】 二e ， e v e n t 2 e v e m3 e v e n tn 图2 2 监控端运作简图 3 、系统中的p r o l 测试终端负责各种测试任务的解析和执行，并负责上报 测试结果。 测试端概念部署架构如下图所示： 888 8 第二章网络测试优化系统总体布局设计 9 脚本解析模块 将业务参数下发 藏据传输模块 通过f 1 甲t 传 善业牛ty 4 蓑嚣叶y 奠喜 业务执行模块 按照参数具体执行业务 孵络码流封装模块 将网络参数封装成帧 下 行 s i m 5 2 1 8 无线囊 据采集模块 图2 3 测试端运作简图 2 3 本章小结 客户靖 本章主要通过对整个移动通信网络测试和优化系统组成成员的介绍，结合系 统网络拓扑模型，从全局的角度描述了该测试优化系统的功能。为后续章节，包 括测试终端的硬件平台以及测试终端系统软件的定制提供了坚实的理论基础。 上行 聃 、j 觚、 一丑 1 0 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 第三章嵌入式测试终端硬件架构 第三章嵌入式测试终端硬件架构 3 1 硬件平台总体架构设计 嵌入式测试终端的硬件平台竖婴主要组成部分：主控芯片a r m 9 ( 9 4 0 t 内核) 、 加密电路、电源电路、时钟电路、电源保护电路、语音转换电路、数据采集收发 无线模块、s d 卡电路、u s b 接口、j t a g 调试口、f e c 以太网接口、p o e 供电 转换电路、u s b 预留电路和m o d e o m 电路。 嵌入式测试终端硬件平台模块架构图如下所示： 图3 1 测试终端硬件架构图 嵌入式测试终端的实物展示如下图所示： 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 3 2 1 控制电路介绍 图3 2 测试终端实物图 3 2 主要电路功能设计 本设计采用a r m 9 作为主控芯片【1 8 】，器件采用a t m e l 的9 4 0 t 内核完成对 整个设计的控制和数据处理。 9 4 0 t 拥有合理的封装形式。9 4 0 t 采用q f p 封装和b g a 封装两种形式，我 们设计采用q f p 封装，有利于日后调试工作的进行。另外该型号的主控芯片拥有 高速的芯片处理能力，能达到2 0 0 m h z 的主频，且有1 3 3 m b 的s d r a m 。 该型号的主控芯片拥有丰富的外设接口，9 4 0 t 嵌入了一个以太网m a c ，一 个u s b 设备端口和一个u s b 主机控制器。它还整合多个u s a r t 、s p i 、”、 定时计数器，同步串行控制器，a d c 和多媒体卡接口。 3 2 2 语音处理电路 1 功能描述 c q tp r o b e 测试终端是针对移动网络进行测试的，语音质量的好坏是测评网 第三章嵌入式测试终端硬件架构 1 3 络信号一个很好的标准，所以我们需要语音录音和播放电路来实现此功能。 2 电路设计 为了节省c p u 的运算空间，本次设计将采用能够独立完成语音录音和播放来 一 完成电路设计，w m 8 7 3 1 芯片u 9 j 满足设计需求。 w m 8 7 3 1 的l i n e i n l 和l i n e i n r 与数据采集收发无线模块的语音模拟输出端 i = i h e l 、h p r 相连进行语音数据的采集。当c q tp r o b e + d 试终端需要录音的时候 w m 8 7 3 1 经过a d 转换将数字信号后通过d a c d a t 端口发送到c p u 然后进行存 储；当c q tp m b c 测试终端需要播放录音的时候c p u 通过a d c d a t 端口将存储的数 字音频信号发送到w m 8 7 3 1 ，然后经d a 转换通过耳机或者扬声器进行播放。 3 2 3f e c 以太网接口 1 功能描述 为了实现c q tp r o b e 测试终端与本地计算机有线互联，使用户可以对测试终 端在本地完成相应的操作，在a r m 处扩展f e c 以太网接口。 2 电路设计 主控芯片9 4 0 t 内部集成f e c ( f a s te t h c r n c tc o n t r o l l e r 快速以太网控制器【2 叫) 模块，f e c 是一个e m a c ( e t h e r n e tm e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r 以太网媒体访问控制) 层接口模块，该模块具有1 0 m b p s d l 0 0 m b p s 的数据传输能力，实现了以太网数据 链路层的功能。f e c 支持全双工和半双工模式和m a c 地址识别和m i i ( m e x l i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 媒体独立接口) 接口，该接口符合i e e e 8 0 2 3 u 标准，定义了 e m a c 和各种e p h y ( e t h e r n e tp h y s i c a lt r a n s c e i v e r 以太网物理层收发器) 之间的标 准电气接口，使e p h y 与e m a c 之间的数据通信、e p h y 的配置及通信状态的 判断得以实现。 本方案以太网接口电路中使用的d m 9 1 6 1 a e p ，它支持1 0 1 0 0 b a s e t ，能完 成所有以太网物理层功能，具有单通道、低功耗和支持m i i 接口的特点。 d m 9 1 6 1 a e p 的x o 和引脚外接2 5 m 的晶振，以f e c 开头的引脚为 m i i 接口的1 8 根信号线，用于连接9 4 0 t 的f e c 模块，1 r i h 、t d 、r d + 和r d 为以太网的输出输入数据线，通过1 l 1 - 4 5 接头连接网线，其余则为d m 9 1 6 1 a e p 支撑电路的晶振、电源、地和复位引脚。 3 2 4 数据采集收发无线模块 1 功能描述 数据采集收发无线模块【2 1 ，2 2 ，2 3 1 是本次设计的核心部分，它负责对网络的数据 进行采集。 1 4 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 2 电路设计 本次设计采用无线模块s i m 5 2 1 8 完成需求，无线模块s i m 5 2 1 8 具有以下功 能特点： ( 1 ) 拥有w c d m a ( 210 0 m 19 0 0 m 8 5 0 m ) g s m ( 8 5 0m h z 9 0 0m h z d c s18 0 0 m h z p c s1 9 0 0 z ) 两种无线模式； ( 2 ) 可实现基于a r m 平台的l m u x 下的二次开发； ( 3 ) 高速的u s b 接口； ( 4 ) 集成了t c p i p 协议； + ( 5 ) u s m 接口：支持s m 卡3 v 和1 8 v ； ( 6 ) 2 路 c 输入，3 路音频输出； ( 7 ) 功耗低； ( 8 ) 带有g p s 定位。 3 设计实现 无线模块s i m 5 2 1 8 模拟语音输出信号与语音处理芯片w m 8 7 3 1 ：与9 4 0 t 芯 片之间通过u s b 接口u s b d m 、u s b d p 来实现指令和数据的传输接受，9 4 0 t 芯片对无线模块s i m 5 2 1 8 发出指令得到返回数据，并对这些数据进行处理后过滤 出对于我们有用的数据，通过串口传给无线m o d e o m ，再由m o d e o m 将数据 发送回m c s 。 4 模块实物图 l 避 i 。i 牺， 。 i j 麓：_ i 龟 誊。j 镬窖蠹 磷一薹l 图3 3 模块实物图 誉黔 第三章嵌入式测试终端硬件架构 1 5 3 2 5 电源电路 1 功能描述 为各个模块提供工作所需供电电源。 2 电路设计 电源是所有产品的能量源，c q tp r o b e 测试终端采用1 2 直流外接电源和内部 电池供电刚两种模式；当外部电源供电时，外部电源对内部电池充电，为设各提 供供电，并且带有上电l e d 灯显示，当有外部电源输入时l e d l 灯亮，当无电源 输入时l e d l 灯灭；当外部电源断开时由内部电池为设备供电，当内部电池电压 供给不足时l e d 2 灯颜色l 亮，表示其状态需要充电。 整个电路板电源首先通过l m 2 5 9 6 s - - 5 从1 2 v 变成5 v ，然后跟据电路中不 同芯片的供电需求选择稳压电源模块；对于无线模块s i m 5 2 1 8 供电采用l m 3 1 7 从5 v 变成3 8 v ，无线模块上电指示灯l e d 3 、l e d 4 的亮灭表示其工作状态，l e d 3 表示无线模块s i m 5 2 18 ，l e d 4 表示无线m o d e o m 。 3 2 6m o d e o m 电路 1 功能描述 完成c q t - p r o b e 测试设备与服务器的无线链接，接受指令和发送数据采集 处理的结果。 2 电路设计 本文设计采用s i m 9 0 0 a 作为无线m o d e o m 来完成链路，其电路实现与数 据采集收发无线模块s i m 5 2 1 8 相似，主要是将通信接口由u s b 接口方式变为串 口接口方式，其余电路基本一样，在此就不做详细说明。 3 3 本章小结 硬件平台的设计是测试终端设备开发的必须步骤，其硬件选择方案的优劣直 接影响后续的软件开发。本章从整体的角度概述了测试终端硬件的架构。并且详 细地介绍了硬件平台各个模块的功能和电路概要设计方案。 1 6 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 第四章测试终端系统层软件架构 1 7 第四章测试终端系统层软件架构 在本次设计中，网络测量和优化系统的子系统一测试终端采用了l i n i 操 作系统。由于嵌入式平台的专用性和特殊性，所以在本次设计中以a r m 体系架 构的l i n u x 内核为基本框架，对内核中的重要功能模块进行了裁剪和改进使其 满足测试终端硬件平台的功能要求。 4 1l 肌操作系统架构概述 l i n u x 操作系统的整体系统【2 5 1 架构如下所示： 髫( 、u s e 7r 用a 户p p 空l i c 闯a t 7 i o n 7s “) 囊麓 一。r f 。一g n uc 糊t a a r 礴a r y ，耋 l - 一- - 系统调用接口 s y s t e mc a l li n t e r f a c e 。 - 四i “archl - d e p 冁e n d e 撇n t k 燃。r n e l 筠c 7 0 d e ? 】 图4 1l i n u x 系统图 用 户 空 间 内 核 空 间 l i n u x 内核经典的功能模块1 2 6 3 7 1 划分示意图如下所示： 1 8 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 图4 2l i n u x 内核模块划分图 系统调用模块：即系统调用接口，r e a d 函数，s o c k e t 等函数调用； 进程管理模块：实现进程创建，删除，调度，进程间通信； 内存管理模块：实现系统内存的分配回收和内存碎片整理组合等功能； 设备驱动模块：实现音频设备，视频设备，u s b 设备，串口设备的运行； 虚拟文件系统：为所有不同的文件系统提供统一的访问接口； 网络协议栈t 实现基于t c p i p 协议的网络数据通信； 系统体系结构模块：实现x 8 6 和a r m 等体系结构下代码的运行； 4 2 嵌入式l i n u x 操作系统的内核定制 4 2 1 内核调度器的定制 l 对内核调度器进行定制的原因 本项目中使用的内核版本是l i n u x 2 6 2 0 ，由于该内核版本圆使用的是o ( 1 ) 版本之前的调度器。经过测试和仿真发现这种调度器并不满足本项目中各种任务 的进程调度所需的要求。所以在本项目中通过对内核调度器源代码的改动来实现 与o ( 1 ) 调度器相似的功能。 2 内核调度器的功能描述和实现机制 本设计在对内核调度器进行定制后，内核调度器对多进程进行任务调度的过 程中具有以下几个明显的特征： 1 ) 内核调度器选择任务后分配给各个任务占用处理器的时间是固定的； 2 ) 动态计算任务优先级，普通任务的优先级是动态计算的； 3 ) 普通任务的调度算法基于任务优先级，当前拥有最高优先级的任务首先被 调度器选中； 4 ) 调度器为c p u 维护了两个任务队列数组，数组中的元素保存着某一任务 第四章测试终端系统层软件架构 1 9 队列的指针； 5 ) 调度器不用遍历整个任务队列，而是直接从活跃任务队列中提取优先级最 高的任务； 3 定制内核调度器嗍的具体细节一 一 1 ) 进程的优先级基于一些简单的整数。e f f e c t i v ep r i o 这个计算进程优先级的 函数最后返回一个整数，这个整数存储在t a s ks t r u c t 结构体的p r i o 成员中。整个 e f f e c t i v ep r i o 函数计算的就是这个整数的值。这些整数成为调度程序选择进程运 行的基础。 2 ) 在计算进程的优先级的时，将进程总共分为两种类型：普通进程和实时性 进程。但把两种进程的优先级都记录在t a s ks t r u c t 结构体的p r i o 成员中。 3 ) 增加判断某一个进程是否是属于实时性进程的函数，两个函数分别是函数 r t _ _ p r i o ( p - p r i o ) 和函数h a s _ r t _ p o l i c y ( p ) 。前一个函数是根据p r i o 成员来判断某 个进程是否是实时性进程的，p r i o 的取值范围为【0 ，m a xp r i o 1 】即【o ，1 3 9 。 实时进程的p r i o 值从0 到9 9 ，普通进程的p r i o 值从1 0 0 到1 3 9 。后一个函数是根 据t a s ks u u c t 结构体的r tp r i o r i t y 成员来判断某个进程是否是实时进程。如果用 户创建了一个实时进程那么他就把r t _ p r i o r i t y 置位，那h a s _ r t _ p o l i c y ( p ) 检查到 r tp r i o r i t y 被置位后就判断出这是实时进程，然后按照实时进程的优先级计算公式 进行计算。 4 ) 在函数n o r m a lp r i “p ) 中，对一个进程的优先级进行了计算，由于实时进 程和普通进程优先级的计算公式不一样，所以先要对某个进程的种类进行判断。 创建实时进程的优先级计算公式如下： p r i o = m a x r t p r i o - 1 - p - r t _ p r i o r i t y ( 3 1 ) 在公式( 3 1 ) 中：某个实时进程的a _ p r i o r i t y 是一个不变的固定值，一个实 时进程无论被计算多少回，它的p r i o 的值都是一样的。即实时进程的动态优先级 ( p r i o ) 与它的实时优先级( ap r i o r i t y ) 成线性关系，不随进程的运行而发生改变。 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 5 ) 普通进程的动态优先级通过静态优先级的统一算法计算得出。某个进程的 静态优先级不会因为时间的改变而改变。用户只可以通过改变n i c e 的大小来改变 静态优先级，通过如下公式进行改变； s t a t i c _ p r i o = m a xr tp r i o + n i c e + 2 0 ；( 3 - 2 ) 在计算普通进行优先级中通过b o n u s 值体现出动态变化，改进b o n u s 的计算 公式如下： bonus=ns_to_dlff_ie弦s(函p)1-苋s匾leefp_a丽vg歹)*max_bonus(3-3)us2 弦函1 苋匾f 丽歹一 在公式( 3 - 3 ) 中：由于只有p - s l e e p _ a v g 是变量，所以如果某个普通进程的 平均睡眠时间越大那么b o n u s 值就越大，动态优先级p r i o 的值就越小，最终这个 进程的优先级就越高。也就是说一个普通进程的优先级的计算由它的静态优先级 和它的平均睡眠时间决定。 在计算平均休眠时间过程中，当一个进程结束休眠时，系统就会统计它一共 休眠了多少时间，然后在s l e e p _ a v g 中加上这段时间；当一个进程放弃c p u 时， 系统就会统计它一共运行了多少时间，然后在s l e e p a v g 中减去这段时间。 s l e e p _ a v g 的值越大就意味着进程的休眠时间越长，所以调度器在_ n o r m a l _ p r i o 函 数中就对该进程进行相应的b o n u s 补偿，使它的优先级提高。 4 定制内核调度器1 3 0 1 的部分代码截图 1 ) 在源代码中添加计算普通进程的优先级的函数，如下截图所示： s t a t i ci n tm n o r m a i pr i o ( s t r u c tt a s k s tr u c t 幸p i n tb o n u s ，p r i o ； b o n u s 。c u r r e n t b o n u s p ) h a x _ b o n u s 2 ； p r i o p - s t a t i c p r i o b o n u s ； i f ( p r i o m a x r t p r i o ) p r i o - m a x r t p r i o ； i f ( p r i o n a xp r i o - 1 】 p r i o - 1 4 a x _ p r i o l ； r e t u r np r i o ； 图4 3内核调度器代码截图 2 ) 函数e f f e c t i v e _ _ p r i o 的代码截图如下所示： 第四章测试终端系统层软件架构 2 1 s t a t i ci n te f f e c t i v e _ p r i o ( s t r u c tt a s ks t r u c t 奢p ) t n o n m a l p r i o ( p ) ； i f lr t p r i o ( p - p r i o ) ) r e t u r np - p r i o ； 图4 4 内核调度器代码截图 3 ) 函数n o r m a l _ p f i o ( p ) 的代码截图如下所示： s t a t i ci n tn o r m a l p r i o ( $ t r u c tt a s k _ s t r u c t 毒p i n tp r i o ； i f h a s r t p o l i c y ( p ) ) e t s e p r i o - m a x r l p r i o 一1 一p - r t _ p r i o r i t y ； p r i o -n o n a a l p r i o p ) ； r e t u r np r i o ； 图4 5 内核调度器代码截图 5 定制完成后内核调度器的仿真测试 对内核调度器的定制完成之后为了判断调度器的性能是否达到预计要求所以 进行了仿真测试。仿真的结果为：定制完成的内核调度器能实现o ( 1 ) 调度器的 所有主要功能。 仿真测试原理图如下所示： 基于嵌入式l i n u x 的网络测量和优化应用开发 图4 6 内核调度器仿真原理图 4 2 2 内核虚拟文件系统的定制 l 虚拟文件系统v f s 的概述 虚拟文件系统v f s 在l i n