（通信与信息系统专业论文）基于vxworks实时操作系统的嵌入式无线监控系统研究与实现.pdf

摘要 目前移动通信技术给人们带来了高速的c d m a 2 0 0 0i x 无线数据传输业务，这 是一项新型的数据承载业务，它将移动通信技术和i p 技术有机结合，组成移动i p 网络，可与高速发展的固定i p 网络实现无缝连接，为移动用户提供分组交换方式 的数据、语音、图像等多媒体服务。同时，嵌入式技术在通信领域的应用得到了 广泛发展，从而引发了嵌入式无线接入系统研发的革命，其中嵌入式无线监控系 统是无线数据传输技术发展到一定阶段的产物，它为人们实现远程监控提供了极 大的方便。c d m a 2 0 0 01 x 数据业务的出现为无线监控系统提供了一种全新的无线 数据传输方式，使无线监控系统一改过去采用的无线传输方式传输距离近、数据 传送量小、实时性差的缺点，可以提供跨地域的、高速的、大容量的、高实时性 的监控数据传输。 本论文对嵌入式无线监控系统进行了研究与实现，选用v x w o r k s 嵌入式实时操 作系统和a r m 体系结构的精简指令集处理器硬件平台作为系统实现的基础；研究 了嵌入式无线监控系统实现方案，即系统自动拨号至u c d m a 2 0 0 01 x 数据业务网 络，建立网络连接，动态获取i p ，然后根据设置的参数应用t c p i p 协议发送监控信 息实时图像到具有固定i p 地址的监控中心：同时研究了该方案实现过程中的关 键技术，具体实现了系统底层与硬件相关的软件和上层应用软件。并对系统进行 了测试，检验了嵌入式无线监控系统方案的可行性。 关键字：嵌入式系统 r t o sa r mc d m a 2 0 0 01 x a b s t r a c tl i a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb r o u g h t h i g h - s p e e dc d m a 2 0 0 0i x w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c et op e o p l ea tt h ep r e s e n t c d m a 2 0 0 01 xi sa n e w - t y p es e r v i c eo nd a t ac o m m u n i c a t i o n , w h i c hc o m b i n e so r g a n i c a l l yt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t ii pt e c h n o l o g ya n db u i l d su pi pm o v i n gn e t w o r k i ti s a b l et or e a l i z et h es e a m l e s sl i n kw i t hi pn e t w o r kw h i c hh a sd e v e l o p e dg r e a t l y , a n d p r o v i d e ss u c hs e r v i c e so ft h em u l t i m e d i a 勰d a t a , v o i c ea n di m a g ei nt h ef o r mo fg r o u p s e x c h a n g et ot h ec o n s u m e r s c o n s e q u e n t l yi tb r i n g sa b o u tt h et e c h n o l o g yr e v o l u t i o no n r e s e a r c ho ft h ee m b e d d e ds y s t e mf o rw i r e l e s sa t 。c e s s ，a n dt h ew i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e mi sak i n do fp r o d u c t st h a tt h et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo ft h ew i r e l e s sd a t a d e v e l o p s i n t oac e r t a i ns t a g e ，w h i c hp r o v i d e sag r e a tc o n v e n i e n c et o p e o p l ef o r l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g t h ea p p e a r a n c eo f c d m a 2 0 0 01 xd a t as e r v i c eo f f e r san e w k i n do fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nf o rt h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m i tp r o v i d e sa b e t t e rw i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd a t as e r v i c ew i t hc h a r a c t e r so fc r o s s i n gr e g i o n ，h i g h s p e e d ，a n dl a r g ec a p a c i t ya n dh i g hr e a l - t i m ei n s t e a do ft r a d i t i o n a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o n m e a n s 晰mt h ef a u l to f s h o r td i s t a n c e ，s m a l lc a p a c i t ya n dl o wr e a l - t i m e t h i sp a p e rp r e s e n t sa l le m b e d d e ds y s t e mf o rw i r e l e s sm o n i t o r i n gw h i c hi sb u i l t w i t hv x w o r k se m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n da r mr i s cp r o c e s s o r t h e s y s t e mi sd e s i g n e dt od i a lt oc d m a 2 0 0 0l xd a t as e r v i c en e t w o r ka u t o m a t i c a l 域： d b u i l dw i r e l e s sl i n k s ，t oo b t a i ni pd y n a m i c a l l ya n dt os e n dt h er e a l t i m e m o n i t o r i n g i m a g e sw i t l lt c p i pp r o t o c o lv i ，i mt h ep r e s e tp a r a m e t e r st ot h ec o n t r o lc e n t e rw h i c h o w n sas e c u r ei p a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e da n dt e s t e d ，w i t hw h i c ht h e h a r d w a r e - d e p e n d e n ts o f t w a r ei nt h el o w e rl a y e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nt h eu p p e r l a y e ro f t h i ss y s t e ma r ei m p l e m e n t e d t h es y s t e mp a s s e st h et e s t ss u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m r t o sa r mc d m a2 0 0 0i x 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的矾究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内w # j - ，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任n 本人签名 j 啦埠 日期6 祀 o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。枢人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允湃查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部内容或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论义。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：耋壶垂圭日期滏6 ：主、：f 立 导师签名 i = t 期璺! ! ：查： 里 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景与来源 随着数据传输技术的迅速发展，监控系统正在逐渐的被用于对机器、生产线、 动力装置、公共可控设施和环境等进行远程监测和控制。相比人工方式来说，监 控系统具有很多优点：可以节省大量的人力物力，可以随时进行现场观测，实现 对现场的实时控制等，真正的体现了智能化管理。 监控系统的数据传输可采用有线和无线两种方式。有线数据传输方式一般采用 现场总线的形式，如h a r t 总线等，适合于传输距离较近的场合；无线的传输方 式有：使用开放遥控遥测频段的短距离无线数传模块( 传输距离约1 0 0 0 m 左右) 、 数传电台、g s m 短消息、g p r s l l l 模式和c d m a 2 0 0 01 x 模式。 短距离无线数传模块的传输距离比较近，且一般都是点对点的数据传输，较少 实现点对多点形式的数据传输；数传电台的传输距离在二三十公里左右，但属于 专用网络：基于g s m 网络的短消息形式的数据传输，运营成本较高，而且短消息 的延时性较大，实时性不强。 当前在远程监控系统中，集移动通信和i p 技术于一身的g p r s 和c d m a 2 0 0 0 1 x 数据业务则可以弥补上述各项技术的不足。g p r s 和c d m a 2 0 0 01 x 数据传输 率高，实时性强；数据采用网络方式传输，稳定可靠，且可实现跨地域传送；数 据按流量收费，费用低；同时利用了现有的g s m 和c d m a 基站系统，不需组建 自己的网络，大大节省了组网成本。因此，进行基于g p r s 和c d m a 2 0 0 0i x 数 据业务的嵌入式无线监控系统研究具有十分重要的现实意义。g p r s 与c d m a 2 0 0 0 1 x 之间的性能比较如表l 。1 所示，由于c d m a 2 0 0 0i x 与g p r s 相比具有传输速 率上的优势，因此选择c d m a 2 0 0 0i x 数据业务作为嵌入式无线监控系统研发时 的数据传输载体。 表1 1g p r s 和c d m a 2 0 0 0l x 性能比较 名称工作频段 标准 速率 g p r s9 0 0 mg s m 的升级 1 1 5 2 k b p s c d m a 2 0 0 0i x8 0 0 m i t u tc d m a2 0 0 0 1 5 3 6 k b p $ 再者现代移动通信技术为人们在社会生活中方便、快捷的获取信息提供了高 速、稳定的无线移动网络；同时为了保证人们的生命和财产安全，实现实时监控 越来越重要，然而现在有线监控在许多环境下存在上文所述的局限性，所以产生 了嵌入式技术应用创新基于现代移动网络的嵌入式无线监控系统；根据市场 反馈，企业用户对无线监控有很大的需求，如：公司对下属办事处、车辆、幼儿 园、航运、道路( 违章) 、无人职守的基站等。由于环境因素，在许多场合下有线 监控不能满足他们的需求，而c d m a 信号目前已经覆盖我国绝大多数地区，因此 基于v x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 通过c d m a 通道在信号覆盖区内都可达到无线监控的目的。 1 2c d m a 2 0 0 0l x 数据业务简介 1 2 1c d m a 2 0 0 01 x 网络特点 c d m a 2 0 0 0i x l z j 是在c d m ai s 9 5 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的 是为c d m a 用户提供分组形式的数据业务；它将移动通信技术和l p 技术有机结合， 可支持移动i p 业务，组成移动i p 网络：可与高速发展的固定i p 网实现无缝连接，为 用户提供数据、语音、图像等多媒体服务。该网络不仅可以支持t c p i p 传输协议， 而且也支持x 2 5 协议。c d m a 2 0 0 0i x 具有如下特点： 1 采用分组交换技术。所谓分组交换就是利用c d m a 2 0 0 01 x 技术将信息在传 输前分成既是分离又是相关的“分组”，并且在接收端组合。因此c d m a 2 0 0 01 x 特别适合于间断的、少量的数据传送，也适合于偶尔的大数据量传输。 2 数据传输率高。出于引入了高速分组数据业务和移动i p 技术，它能提供高 速1 5 3 6 k b p s 的数据速率，可以，r 展网上游戏、高速数据下载等业务。 3 网络资源应用合理。幽于c d m a 2 0 0 0l x 核心网属于分组交换网，分组用户 只在传送数姑时才占用信道资源，所以大大提高了网络资源利用率，且可以允许 j h 户长时间的保持与外部网络的连接，而不必频繁的进行连接和断丌操作，从而 使用户做到“永远在线”。 4 收费合理，费用低。c d m a 2 0 0 01 x 采用按流量收费的办法，传送相同的数 据量，较短信息方式要便宜很多。 1 2 2c d m a 2 0 0 01 x 系统网络结构及接口 c d m a 2 0 0 01 x 是c d m a 2 0 0 0 的第一阶段。c d m a 2 0 0 01 x 网络主要有b t s 、 b s c 和p c f 、p d s n 等节点组成。基于a n s i 一4 1 核心网的系统结构如图1 1 所示。 l 鳘j1 1c d m a 2 0 0 0 ，i x 核心网系统结构 其中主要功能模块如下表1 2 所示： _ l 臣也 第一章绪论 表1 2c d m a 2 0 0 0i x 核心网主要功能模块 b t s 基站收发信机p c f - - 分组控制功能 b s c - - 渊 j bp d s n 分组数据服务器 s d u 业务数据单元 m s c v l r 移动交换中l 访问寄存器 b s c c 基站控制器连接 由图1 1 可见，与i s - 9 5 相比，核心网中的p c f 和p d s n 是两个新增模块，通 过支持移动i p 协议的a i o 、a i l 接口互联，可以支持分组数据业务传输。而以 m s c n l r 为核心的网络部份，支持话音和增强的电路交换型数据业务，与i s 9 5 一样，m s c v l r 与h l r a c 之间的接口基于a n s i - 4 1 协议。图中，b t s 在小区 建立无线覆盖区用于移动台通信，移动台可以是i s 9 5 或c d m a 2 0 0 01 x 制式手机。 b s c 可对多个b t s 进行控制；a b i s 接口用于b t s 和b s c 之间连接；a 1 接口用于 传输m s c 与b s c 之间的信令信息；a 2 接口用于传输m s b 与b s c 之间的话音信 息：a 3 接口用于传输b s c 与s d u ( 交换数据单元模块) 之间的用户话务( 包括语音 和数据) 和信令；a 7 接口用于传输b s c 之间的信令，支持b s c 之间的软切换。以 上节点与接口与i s 9 5 系统需求相同。 。 c d m a 2 0 0 01 x 新增接口为：a 8 接口：传输b s c 和p c f 之间的用户业务：a 9 接口：传输b s c 和p c f 之间的信令信息：a i o 接口：传输p c f 和p d s n 之间的 用户业务；a 1 l 接口：传输p c f 和p d s n 之间的信令信息：a 1 0 a 1 1 接口是无线 接入网和分组核心网之间的开放接口。新增节点p c f ( 分组控制单元) 是新增功能 实体，用于转发无线予系统和p d s n 分组控制单元之间的消息。p d s n 节点为 c d m a 2 0 0 01 x 接入i n t e r n e t 的接口模块。 1 2 3c d m a 2 0 0 01 x 承载业务 c d m a 2 0 0 01 x 提供的承载数据业务又叫c d m a 2 0 0 01 x 网络业务，包括点对点 ( p t p ) 数据业务和点对多点( p t m ) 数据业务。 1 c d m a 2 0 0 01 x 提供的点对点( p t p ) 数据业务可细分为两类： ( 1 ) 点对点无连接网络业务 这类业务属于数据报类型业务。点对点无连接网络业务是将一个单独数据分组 从用户a 传送到目的地用户b 的业务，是由提供两个用户之间网络层通信的无连接 网络协议和i p 协议支持的业务。无连接方式的传输是指发送和接收用户之问的数据 单元在传送之前不需要连接建立、保持和释放程序，每个数据分组从源业务接入 点送到目的业务接入点没有连接建立过程，每个分组都是独立完成传送的，每个 分组的传送与前面的分组传送和后丽的分组传送都是无关的，分组是不按序列传 送的。发送的每个数据分组用i p 字头封装，i p 字头内包含了信源和目的i p 地址。 ( 2 ) 点对点面向连接网络业务 这类业务是由面向网络协议，a p x 2 5 协议支持的业务。在两个用户或多个用户 4 基于v x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 之间数据分组传送要求建立虚电路连接。面向连接业务要求有数据分组传送之前 的连接建立、数据传送和连接释放工作程序。面向连接方式传送是指数据分组传 送之前先建立点对点连接，数据分组在建立的虚电路中按顺序传送的，并按照顺 序进行交付数据。 2 。点对多点数据业务 c d m a 2 0 0 01 x 提供的点对多点( p t m ) 数据业务可根据某个业务请求者的请 求，把信息送给多个用户，由p t m 业务请求者定义用户成员。p t m 数据业务可细 分为点对多点组播业务、点对多点群呼业务和i p 组播业务三类。 1 2 4 用户接入数据业务方式 用户接入数据业务方式采用简单i p 方式。类似于固定电话，通过m o d e m 拨号上 网。由于每次给移动台分配的i p 地址是动态可变的，可实现移动台作为主叫的分组 数堀呼叫，协议简单，容易实现，但跨p d s n 时需要中断正在进行的数据通信。因 此只能实驯1 - ir l t i 方式的数据通信。 简单i p q k 务是指移动台作为主叫时系统能提供的删浏览、e - m a i l 、f t p 等业 务，即提供目前拨号上刚所能提供的全部分组数据业务。如下图1 2 所示为 s i p ( s i m p l ei p ) 接入网络结构模型，提供较为简单的业务，具有以下特点： 图1 2 s i p 接入网络结构 1 直接通过p d s n 接入i n t e m e t ； 2 p d s n 提供静态i p 地址；若m s 要求动态l p 地址分配，则由p d s n 或a a a 完成： 3 m s 的i p 地址仅具有链路层的移动性，即移动用户的i p 地址仅在p d s n 服 务区内有效，不支持跨p d s n 的切换。 1 3t c p i p 和p p p 协议简介 1 3 1t c p i p 协议简介 第一章绪论 5 c d m a 2 0 0 0i x 技术是移动通信技术和p 技术相结合的产物，图像数据在监控 中心与嵌入式无线监控系统终端之间的无线网络以及固定网络中传输，都需要遵 循t c p i p 协议。因此，t c p i p 技术在整个嵌入式无线监控系统中占有至关重要的 地位。对t c p i p 协议的了解将有助于理解整个嵌入式无线监控系统。 j ， t c p i p 协议【3 】是现有网络传输数据普遍采用的一种协议，它与o s i 参考模型的 相互关系如下图l ：3 所示 0 s it c p i p 应用层。 表示层应用层 会话层 传输层主机到主机层 网络层互联网络层 数据链路层 网络接口层 物理层 图1 3t c p i p 参考模型 在t c m p 协议中，网络接口层对应于o s i 的物理和数据链路层。物理层包僭! 箩 种与物理介质相关的协议，这些物理介质用以支撑t c p i p 通信。数据链路层包含 控制物理层的协议：如何访问和共享介质，怎样标识介质上的设备，以及在介质 上发送数据之前如何完成数据成帧。 互联网络层与o s i 的网络层相对应，通过定义报文格式和地址格式，互联网络 层主要负责为经过逻辑互联网络路径的数据进行路由选择。 与o s i 传输层相对应的是主机到主机层，它指定了控制互联网络层的协议，这 就像数据链路层控制物理层一样。主机到主机层和数据链路层都定义了流控和差 错控制机制。二者不同之处在于，数据链路层协议强调控制数据链路上的流量， 即连接两个设备的物理介质上的流量，而传输层控制逻辑链路上的流量，即两个 设备的端到端连接，这种逻辑连接可能跨越一连串数据链路。尽管互联网络层负 责网络之间的逻辑路径，但是主机到主机层是负责两个在完全不同网络上的主机 之间的全程逻辑路径。从另一个角度看，主机到主机层向应用提供了一个到协议 族下一层的接口，使应用不必关心它们的数据实际上是如何被传送的。主机到主 机层提供两个主要的服务：t c p 和u d p 。 应用层与o s i 的会话层、表示层和应用层相对应。大多数应用层通用服务是向 用户应用提供访问网络的接口。 1 3 2 p p p 协议简介 6 基1 丁v x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 c d m a 2 0 0 0l x 业务是基于网络技术的，数据在传送过程中要遵循t c p 爬协议， 也就是要有源点和日的i p 她址。监控中心直接和因特网相连，会被分配一个固定 的i p 地址。但是，监控终端处于c d m a 2 0 0 01 x 网络中，它不会被分配固定的i p 地 址，也就是说它的i p 地址是变化的，是动态分配的。p p p ( p o i n t - t o - p o i n tp r o t o c 0 1 ) 协 议1 9 , 1o 1 1 l 正是用来接) k c d m a 2 0 0 01 x 网络，并动态申请i p 地址的。 近年来。支持t c p i p 协议的主机正在互联网络中急速增长。一般来说主机通过 三种方式接入到互联网中：是通过各种类型的局域网相连，以以太网最为常见： 二是通过宽带网相连，例如x 2 5 类型的公众数据网( p d n s ) ；最后一种就是通过简 单的点对点相连。 p p p 就是为在同等单元之间传输数据包这样简单的链路而设计的。这种链路提 供全双工操作，并按照顺序传递数据包。它是为基于点对点连接的多协议自寻址 数掘包的传输提供的一个标准方法。包含以下三个成分： 1 串行数据链路上数据包封装的方法。 2 用一j + 建立、设定和测试数据链路连接的l c p 。 3 用于建立、没定不同网络层协议的n c p 。 p p p 协议能够通过任 , l 丁d t e d c e 接口运行，例如e i a r s 2 3 2 一c ，e i a r s 一4 2 2 ， e i a r s 4 2 3 和c c i t tv 3 5 等，只要是双工电路即可。它即能以异步也能以同步比特 串行模式操作，并且对p p p 数据链路层透明。p p p 不要求使用m o d e m 控制信号，比 如r t s ，c t s ，d c d 和d t r 等。然而，使用这些信号，功能会增强。 1 4 完成的内容及主要贡献 1 提出了利用c d m a 2 0 0 0 】x 数据业务作为嵌入式无线监控系统实时发送图 像数据传输载体的系统设计方案，是一种新型的无线监控系统应用项目。 2 在无线监控系统的设计中引入嵌入式实时系统的系统设计方法，利用商性 能的处理器和嵌入式实时操作系统实现了无线监控系统的实时、稳定、高性能的 动作，适应了现在市场的需求，使得嵌入式应用开发充分发挥其实用性。 3 研究与实现的嵌入式无线监控系统集嵌入式实时应用和移动通信网络 ( c d m a ) 应用为一体，使得该嵌入式无线监控系统安装方便、应用简单灵活、 运营成本低，无需依赖有线宽带网；能够避免有线监控网络实际安装过程中存在 的复杂的行线问题。用户可以在任何c d m a 覆盖到的范围内使用该嵌入式无线监 控系统。 1 5 本文的内容安排 第1 章引入本论文的研究背景、研究意义，介绍了c d m a 2 0 0 0i x 数据业务 和t c p i p 协议及p p p ( 点对点) 协议的基础知识，并给出本论文的研究内容和主要 第一章绪论7 贡献。 第2 章介绍嵌入式实时操作系统v x w o r k s 知识和嵌入式无线监控系统实现方 案。 第3 章详细介绍基于嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的嵌入式无线监控系统底 层b s p 软件设计与实现。 第4 章给出基于嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的嵌入式无线监控系统上层应 用软件设计与实现。 第5 章总结全文。 基tv x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 第二章基于v x w o r k s 的嵌入式无线监控系统实现方案 通过对无线监控系统的研究，本论文实现了利用c d m a 2 0 0 01 x 数据业务传输 图像数据的嵌入式无线监控系统。本论文的嵌入式无线监控系统设计方案是个 嵌入式系统的解决方案，硬件平台主要是选用了s a m s u n g 的a r m 7 系列微处理器 s 3 c 4 4 b 0 x ，嵌入式操作系统选用的是w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 实时操作系统， 这是款实时性能较好的商用嵌入式实时操作系统。在系统设计和实现过程中， 论文作者主要完成了嵌入式无线监控系统主要功能软件模块的设计和实现。 2 1 嵌入式实时系统概述 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不能称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减的，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简 单地说，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应 用软件系统等组成，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适 合于要求实时和多任务的环境。它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统是将先进 的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识 集成系统，因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也 是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周 期。 实时系统的定义是：一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功g 和对外 部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。应注意，“确定的时间”是最根本的 要求，系统的j 下确性不仅取决于处理结果逻辑上的正确性，更取决于获得该结果 所需的时间。实时系统与其它普通的系统之间的最大的不同之处就是要满足处理 与时j 白j 的关系。实时系统具备：及时性、同时性、可预测性、可靠性等重要特性。 并且根据在设计时与应用的关系分为：周期性的和非周期性的( p e r i o d i c 和 a p e r i o d i c ) 、硬实时和软实时( h a r dr e a l t i m e 和s o f tr e a l t i m e ) 、专用和开放以及集中 式和分靠式等不同种类的实时系统。 自u 者更多的从应用角度对系统进行考虑。后者则侧重于从处理和时间上对系统 进行分析。嵌入的不一定是实时的，反之亦然。但是现在我们的具体应用中，往 往需要嵌入式系统拥有实时特性，这种同时具有嵌入与实时特点的系统，我们就 称之为“嵌入式实时系统”。 2 2 嵌入式实时操作系统v x w o r k s 简介 在嵌入式系统环境下，系统的硬件资源十分有限，处理器一般没有多少可用的 第二章基于v x w o r k s 的嵌入式无线监控系统实现方案 9 内存，更没有可用的外存，而操作系统就装在这有限的存储器中( 一般在r o m 或 是f l a s h 中) ，同时又满足实时性，这种操作系统称之为嵌入式实时操作系统。 w i n d r i v c r 的v x w o r k s l l 2 - 1 6 1 是商业实时操作系统( r t o s ) 的代表，在通信领域中 得到了广泛的应用。目前我们进行的项目中所用到的r t o s 就是这种操作系统。 v x w o r k s 操作系统是一种嵌入式实时操作系统，具有灵活的微内核可裁减、高效的 任务管理、灵活的任务间通信等特点。同时它还支持多处理器并行处理，并且提 供灵活的引导方式，是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、 高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之 地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航 天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、 飞机导航等。 ， 2 2 1v x w o r k s 的主要组成部分 v x w o r k s 操作系统包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网 络协议及系统应用等几个部分。v x w o r k s 只占用了很小的存储空间，并可高度裁减： 保证了系统能以较高的效率运行。v x w o r k s 由以下几个主要部分组成： 1 高性能的实时操作系统核4 j , w i n d v x w o r k s 的核心，被称作w i n d ，包括多任务调度( 采用优先级抢占方式) ，任务 问的同步和进程间通信机制以及中断处理，看门狗和内存管理机制。一个多任务 环境允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑，每个任务拥有独立的捷行线 程和它自己的一套系统资源。进程间通信机制使得这些任务的行为同步、协调。 w i n d 使用中断驱动和优先级的方式。它缩短了上下文转换的时间开销和中断的时 延。在v x w o r k s 中，任何例程都可以被启动为一个单独的任务，拥有它自己的上下 文和堆栈。还有一些其它的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变 优先级。、 ，i n d 核提供了信号量作为任务间同步和互斥的机制。在w i n d 核中有几种 类型的信号量，它们分别针对不同的应用需求：二进制信号量、计数信号量、互 斥信号量和p o s 信号量。所有的这些信号量是快速和高效的，它们除了被应用在 开发设计过程中外，还被广泛地应用在v x w o r k s 高层应用系统中。对于进程问通信， w i n d 核也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。 2 肋系统 v x w o r k s 提供了一个快速灵活的与a n s i c 兼容的i o 系统，包括u n i x 标准的缓 冲i o 和p o s i x $ 示准的异步f o 。v x w o r k s 包括以下驱动程序：时络驱动、管道驱动、 r a m 盘驱动、s c s i 驱动、键盘驱动、显示驱动、磁盘驱动、并口驱动等。 3 文件系统 v x w o r k s 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使用块设 0 基于v x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 备的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口从而使得文件系统能够被灵 活地在设备驱动程序上移植。v x w o r k s 的i 0 体系结构甚至还支持在一个单独的 v x w o r k s 系统上同时并存几个不同的文件系统，v x w o r k s 支持的几种文件系统 d o s f s ，r t l l f s ，r a w f s 和t u r e f f s 。 4 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 板级支持包对各种板子的硬件功能提供了统一的软件接口，它包括硬件初始 化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内 存分配等等。每个板级支持包含有一个r o m 启动( b o o tr o m ) 或其它启动机制。 5 网络设施 v x w o r k s 的网络结构提供了对其它网络和t c m p 网络系统的“透明”访问，包 括与b s d 套接字兼容的编程接口，远程过程调用( r p c ) ，s n m p ，远程文件访问( 包 括客户端和服务端的n f s 机制以及使用r s h ，f t p 或t f t p 的非n f s 机制) 以及 b o o t p 年n a r p 代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接，还是紧藕合 的利用共季内存的背板总线，所有的v x w o r k s 网络机制都遵循标准的i n t e r a c t 协议。 6 虚拟内存( h i 】v x v m i ) 与共享内存( 即v x m p ) v x v m l 为带有m m u 的目标板提供了虚拟内存机制。v x m p 提供了共享信号 量，消息队列和在不同处理器之间的共享内存区域。 ， 2 2 2v x w o r k s 的主要特性 v x w o r k s 操作系统的主要特性有以下几点： 1 可靠性 使用操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作。所以操作 系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是v x w o r k s 的突出优点。 2 实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响 应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的。 v x w o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、 中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。v x w o r k s 提供的多任 务机制中对任务的控制采用了优先级抢占( p r c e m p t i v ep r i o r i t ys c h e d u l i n g ) 和轮转 调度( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) 机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件 配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 3 可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形 显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。v x w o r k s 由一 个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。v x w o r k s 内核最 第二章基于v x w o r k s 的嵌入式无线监控系统实现方案i i 小为8 k b ，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务 的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制 或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。 2 2 3 基于v x w o r k s 的系统编程方法 ， 实时系统编程方法主要包括：多任务调度，任务间的同步和进程间通信机制。 另一个重要内容是：硬件中断处理。硬件产生中断，通知系统调用相应的中断例 程( i s r ) ，为的是系统得到尽快的响应，i s r 在它自己独立的上下文和堆栈中运行 它的优先级高于任何任务优先级。 1 多任务调度 系统设置了2 5 6 个优先级，从0 至u 2 5 5 ，o 为最高，2 5 5 为最低。任务在被创建时设 定了优先级，也可用t a s k p r i o r i t y s e t 0 来改变任务优先级。任务的主要状态：r e a d y ， p e n d ，d e l a y ，s u s p e n d 。v x w o r k s 采用两种任务调度方式：优先抢占和轮转 调度。 优先抢占( p r e e m p t i v ep r i o r i t y ) ：每一个任务都有一个优先级，系统核心保证优 先级最高的任务运行于c p u 。如果有任务优先级高于当前的任务优先级，系统立刻 保存当前任务的上下文，切换到优先级高的上下文。 抢占( p r e e m p t i v e ) ：抢占是指当系统处于核心态时，允许任务的重新调度。换 句话说就是指正在执行的任务可以被打断，让另一个任务运行。抢占提高了应用 对异步事件的响应性能力。操作系统内核可抢占，并不是说任务调度在任何时候 都可以发生。例如当一个任务正在通过一个系统调用访问共享数据时，重新调度 和中断都被禁止。 任务上下文( t a s kc o n t e x t ) ：任务上下文是指运行任务时的环境。例如，针对 x 8 6 的c p u ，任务上下文可包括程序计数器、堆栈指针、通用寄存器的内容。 上下文切换( c o n t e x ts w i t c h i n g ) ：多任务系统中，上下文切换是指c p u 的控制 权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件，当前运行任务转为就绪 ( 或者挂起、删除) 状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包 括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。上下文的内容依赖 于具体的c p u 。 轮转调度( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) ：使所有具有相同优先级，状态为r e a d y 的 任务公平分享c p u ( 分配一定的时间间隔，使每个任务轮流享有c p u ) 。轮转调度可 以扩充到优先抢占方式中，当多个任务优先级相同的情况下，j 仑转调度算法使任 务按平等的对间片运行，共享c p u 。避免一个任务长对间占用c p u ，而导致其他任 务不能运行。可以用k e m e l t i m e s l i c e 0 来定义时间长度。t a s k l o c k 0 和t a s k u n l o e k ( ) 用来取消优先抢占方式和恢复优先抢占方式。 基于v x w o r k s 实时操作系统的嵌入无线监控系统研究与实现 注意：一个任务可以调用t a s k d e l e t e o 删除另一个任务，但是如果一个当前正在 运行的任务被删除后，该任务的内存没有释放，而其他任务不知道，依然在等待， 结果导致系统停止运行。用t a s k s a f e o 和t a s k u n s a f e o 来保证正在运行的任务不被删 除。 2 任务阈的同步和进程问协调 信号量作为任务问同步和互斥的机制。在w i n d 核中有几种类型的信号量，它们 分别针对不同的应用需求：二进制信号量、计数信号量、互斥信号量和p o s i x 信号 量。所有的这些信号量是快速和高效的，它们除了被应用在开发设计过程中外， 还被广泛地应用在v x w o r k s 高层应用系统中。对于进程阐通信，w i n d 核也提供了诸 如消息队列、管道、套接字和信号等机制。 任务问的同步和进程间协调的几种方式如下： ( 1 ) 内存共享( s h a r e dm e m o r y ) ，在对简单的数据共享时应用。 ( 2 ) 信号量( s e m a p h o r e ) ，用于基本的互斥和同步。 ( 3 ) 消息队列( m e s s a g eq u e u e s ) 和管道( p i p e ) ，用于单个c p u 中，任务问的信 息传递。 ( 4 ) 套结字( s o c k e t ) 和远程调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l s ) ，用于相对于网络任务 间的通信。 ( 5 ) 信号( s i g n a l s ) ，用于出错处理( e x c e p t i o nr 瑚d l i n g ) 。 3 互斥( m u t u a le x c l u s i o n ) 互斥是用来控制多任务对共享数据进行串行访问的同步机制。在多任务应用 中，当两个或多个任务同时访问共享数据时，可能会造成数据破坏。互斥使它们 能够串行地访闯数据，从而达到保护数据的耳的。解决互斥的几种方法如下： ( 1 ) 关闭中断的方法( i n t l o c k ) ：能解决任务和中断i s r 之间产生的互斥。 ( 2 ) 关闭系统优先级( t a s k l o e k ) ：关闭系统优先级，这样在当前任务执行时， 除了中断外，不会有其他优先级高的任务来抢占c p u ，影响当前程序运行。这种 方法阻止了高优先级的任务抢先运行在实时系统中也是不适合的，除非关闭优先 级的时间特别短。