（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式系统的gprs数据终端的设计与实现.pdf

基于嵌入式系统的删数据终端的设计与实现 工8 8 2 9 0 0 摘要 随着通信技术的高速发展 6 m r s 无线通信网络己与互联网连接在 一起 成为一种可持续利用和开发的资源 嵌入式系统也由于功耗低 性能强等特点 被广泛应用于通信 工业控制等领域 本文利用嵌入 式系统和g p r s 网络 设计和实现了g p r s 无线数据终端 该终端以 s 3 c 4 4 b o x 微处理器为中心 通过驱动g p r s 通讯模块 由g p r s 无线网 络连接到i t e m e t 从而实现数据传输 本文首先介绍了g p r s 技术原理 阐述了g p r s 无线数据终端的功 能及应用 然后对删微处理器及嵌入式操作系统u c o s 进行了详 尽的描述和研究 接着是g p r s 终端的软硬件设计和实现 最后对系统 的整体功能进行了测试 该终端的硬件设计 主要包括微处理器芯片 的选型 m c 3 5 通讯模块的接口设计 存储器单元及串曰电路设计等 软件上主要包括心 o s i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植 t c p 佃通讯协议栈的 实现 包括p p p p u d p 等协议 系统任务的划分及各个功能模块 的具体实现 软件采用的方案可以描述为 嵌入式操作系统 t c p 邛 协议栈 应用程序 应用程序在u c o s i i 的基础上开发 将应用程序分 解成多任务 简化了应用系统软件设计 提高了系统的可靠性 本课题实现的g p r s 无线数据终端 内嵌t c p 口协议 可以通过 g p r s 网络连接到互联网 数据传输实时性强 为用户提供透明的数据 传输通道 在电力自动化 环保 交通监控等领域获得了广泛的应用 特别适用于移动环境 难于布线的场所和边远地区 关键字 g p r s 无线数据终端 删 儿c 0 s i i m c 3 5 t c p p 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e mo fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y g p r s w i r e l e 8 sn e t v o r kw i mt h ei n t e m e tl 姐sb e e nl i n k e da n db e c o m ear e s o u r c e o fs u s t a i i l a b l eu s ea n dd e v e l o p m e n t t h ee m b e d d e ds y s t e mb e c a u s eo f1 0 w c o n s u m p t i o na n ds t r o n gp e 响衄a n c ec k 哪m e r i s t i c st h a ti sw i d d yu s e di n t d e c o m n m n i c a t i o n s i n d u 嘶a 1c o n t r o l 卸do t h e ra r 明s i t lt h i s p a p e rt h e g p r sw i r e l e s sd a t a t e r m i n a lw a sd e s i g n e d 姐dr e z e dt ou s em e e m b e d d e ds y s t e ma i l dt h eg p r sn e t w o r kt h i st e 衄i n a lt a k e st h e s 3 c 4 4 b o xi n i c r o p r o c e s s o ra sac e m e r t h r o u 曲d r i v i n gg p r sm o d u l eo f c o m 咖n i c a t i o n c o 如e c t i n gt ot h ei 址锄e tb yg p r sw i r e l e s sn e t w o r 瓤 吼r i n gd a t at r a n s m i s s i o n t h e 眦i c l ef l 刚n t r o d u c e dm e g p r st e c h n o l o g yp r m i p l e s e l a b o r a t e d t h e 向n c t i o n sa n d 即p j i c a t i o n so fg p r sw i r e l e s sd a t at e 肌i n a l t h e na d e t a i l e d d e s c r i p t i o n a n dr e s e a r c hw a sc a r r i e do nf o rt h ea r m m i c r o p r o c 船s o ra n dt h ee m b e d d e do p e r a 血塔s y s t e m c o s 一 f o o w e db y h a r d w a r e 卸ds o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fg p r st e r n l i l l a l f l n a l l yt h e o v e r a l l 如n c t i o no ft h es y s t e mw a st e s t e d t h i st e m i n a l sh a r d w a r ed e s i g n m a i l l l yi n c i u d e st h ec h o i c eo fm i c r o p r o c e s s o fc h i p t h ei m e a c ed e s i g no f m c 3 5m o d u i eo fc o m m u n i c 撕o n n l ec i r c u i td e s i g no fm e m o r ym o d u l e s a n ds e r i a lp o r ta n ds oo n t h es o f t w a f em a i n l yi n c l u d e st h et r a 璐p l a n to f c o s i io ns 3 c 4 4 b o x t h ef e a l i z a t i o no ft c 甲 i ps t a c kw h i c hi n c l u d i n g p p p 皿u d pa n ds oo n t h ed i v i s i o no fs y s t e mt a s ka n dt h es p e c 前c r e a l i 盈毗o o fe a c h 如n c t i o nm o 血l l e t h es o f h v a r ep l a na d o p t e dc a nb e d e s c r m e d 船a ne m b e d d e do p e 倒 i l l gs y s t e m t c p ms t a c k 印p l i c a c i o n p r o 掣蛐 t h e 印p i i c a t i o np r o g r a mw a sd e v d o p e do nt l eb a s i so f c o s i i a n dd i v i d e di n t om u l t i t a s k w h i c hs i m p l m e dm es o 脚a r ed e s i g no f a p p l i c a t i o ns y s t e m a i l di i n p r o v e dt h er e l i a b i t yo f s y s t e m t h eg p r sw i r e l e s sd a t at e 瑚i n a lw a sr e a l i z e di nt h i st o p i c e m b e d d e d 基千矗罕 式丽蠹 女藩章竺巢誊掰翥罂辫碉丽i 萎蠢三l 翥f 塞l 霎坚羹封 嚣嚣 薛1 t 竹雌彗 誊毛霞誊羲重重蓬律i 藿霄 詈 葺葺 耋茎薹茎拈 1 y 簧强娶哇 州1 1 钉i 霎 二m 簿g t f 禹整i 爱 塾滗l 1 雪姑蕈 辨j 驿翳1 戛 磐 p t 重蠢g 善鹾藩尊瑶 1 i l t 嚣巴i 喜睡 譬 洋l l l 雾雾 警鞋g 轼兰兰t u u 譬i s 蠹掣 n l 萋亘羞割篓蕴要l a 砭e qr a 辫蚕壁甘s 兮i 望重ji 季舞 臼氕葛掣 e 禹喜 嚣嚣鞋n 替 响应后 向串曰写入编码 后的要发送数据 以 z 结束 其他相关的a t 命令请参阅文献f 7 3 可靠性的保证 由于g p r s 网络目前存在掉包率偏高 经常掉线 链路不稳定的 特点 终端在设计时采取了以下几点措施保证数据传输的稳定性 1 当通讯过程中 t c p 重传次数大于3 次时 认为g p r s 网络出 错 如果具有短信备份功能 切换到短信发送的工作模式 切换时 首先向g p r s 模块发送 命令 从在线传输模式切换到在线命 令模式以响应短信发送的a t 命令 在短信工作模式下 每隔一段时 间 开始p p p 拨号 若拨号成功 则将工作模式切换回使用g p r s 网络传输 若不具备短消息备份功能 则将终端重新启动 9 j 2 为了保证永远在线 避免在应用环境中由于链路空闲而被服务 器强制断连 设备提供心跳功能 主动发送心跳数据 维持链路 具 体做法是 设置一个心跳中心 可与数据中心使用相同的服务器 终 端每隔一段时间向心跳中心发送称为心跳的特定u d p 报文 该报文 不包含有意义的数据 仅表示模块在线 当中心一段时间后收不到心 跳信息时 可知模块已经脱离g p r s 网络 此时工作人员可以通过拨 打终端电话的形式 将传输终端软复位 本工作过程为远程唤醒 远 程唤醒的设置为用户提供了更为完善的使用功能 2 2 4 基于g p r s 网络的数据传输系统 4 9 1 0 基于g p r s 网络数据传输系统如图2 1 所示 该系统主要有g p r s 无线数据终端 g p r s 网络 i n t e m e t 和远程控制中心四个部分构成 1 2 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 一i n t e i 的s t r o n g 删 一i m e l 的x s c a l e 其中删7 m i m 9 越t m 9 e 和越l m l o 为4 个通用处理器系列 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求 3 2 2 删7 微处理器系列 a l l m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r j s c 处理器 最适合用于 对价位和功耗要求比较严格的消费类应用 a r m 7 微处理器系列具有 如下特点 一具有嵌入式i c e r t 逻辑 调试开发方便 一极低的功耗 适合对功耗要求严格的应用 如便携式产品 一能够提供o 9 m 邛s 肛删z 的三级流水线结构 一代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集 一对操作系统的支持广泛 包括w i n d o w sc e l i n u x u c o s 等 一指令系统与a r m 9 系列 a r m 9 e 系列和删1 0 e 系列兼容 便于用户的产品升级换代 一主频最高可达1 3 0 m 口s 高速的运算处理能力能胜任绝大多数 的复杂应用 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核 灿t m 7 t d m i 删7 t d m s 删7 2 0 t 球m 7 e j 其中 m 泓7 t d 眦是目前使 用最广泛的3 2 位嵌入式i u s c 处理器 属低端a r m 处理器核 t d m 的基本含义为 t 支持1 6 位压缩指令集t h u m b d 支持片上d 曲u g m 内嵌硬件乘法器 m u l 卸l i c r i 嵌入式i c e 支持片上断点和调试点 删7 微处理器的主要应用领域为 工业控制 i n t e i n e t 设备 网络和调制解调器设备 移动电话等多种多媒体和嵌入式应用 本课题选用的是s a m s u n g 公司的基于删7 t d m i 核的 1 6 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 s 3 c 4 4 b o x 微处理器 即属于删7 微处理器系列 3 2 1 3 删微处理器结构 传统的c i s c c o m p l e xi n s 咖c t i o ns e tc o m p u t e r 复杂指令集计算 机 结构有其固有的缺点 即随着计算机技术的发展而不断引入新的 复杂的指令集 为支持这些新增的指令 计算机的体系结构会越来越 复杂 然而 在c i s c 指令集的各种指令中 其使用频率却相差悬殊 大约有2 0 的指令会被反复使用 占整个程序代码的8 0 而余下的 8 0 的指令却不经常使用 在程序设计中只占2 0 显然 这种结构 是不合理的 基于以上的不合理性 1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了 i u s c 限e d u c e di n s t m c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机 的概念 r j s c 并非只是简单地去减少指令 而是把着眼点放在了如何使计算 机的结构更加简单合理地提高运算速度上 i u s c 结构优先选取使用 频率使用最高的简单指令 避免复杂指令 将指令长度固定 指令格 式和寻址方式种类减少 以控制逻辑为主 采用眦s c 架构的删微处理器一般具有如下特点 1 体积小 低功耗 低成本 高性能 2 支持t h u m b 1 6 位 删 3 2 位 双指令集 能很好的兼容8 位 1 6 位器件 3 大量使用寄存器 指令执行速度更快 4 大多数数据操作都在寄存器中完成 5 寻址方式灵活简单 执行速率更高 6 指令长度固定 当然 和c i s c 架构相比较 尽管r i s c 架构有上述的优点 但 决不能认为l u s c 架构就可以取代c i s c 架构 事实上 i u s c 和c i s c 各有优势 而且界限并不那么明显 现代的c p u 往往采用c i s c 的外 围 内部加入了i u s c 的特性 如超长指令集c p u 就是融合了戳s c 和c i s c 的优势 成为未来的c p u 方展方向之一 1 7 基于肤八式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 的优先级 优先级数越高 优先级越低 时间管理 u c o s i i 根据硬件提供的定时中断 实现延时和超时 控制等功能以及对系统时间的管理 任务同步与通信 c o s 1 1 支持用户创立信号量和事件标志对任 务与任务之间以及任务与中断服务之间的同步 同时 u c 0 s i i 通过消 息队列 邮箱实现任务之间的通信 内存管理 l l c o s i i 把连续的大块内存按分区来管理 然后通过 管理算法 减少内存碎片 移植部分 与c p u 的接口部分是指u c 0 s i i 针对所使用的c p u 的 移植部分 由于l c 0 s 一 是一个通用性的操作系统 所以对于关键问题 上的实现 还是需要根据具体c p u 的具体内容和要求作相应的移植 这 部分通常用汇编语言编写 主要包括中断级任务切换的底层实现 任 务级任务切换的底层实现 时钟节拍的产生和处理 中断的相关处理 部分等内容 l 竺竺苎塑塑j 黼 囤圆圈 图3 l c 0 s i i 的软硬件体系结柯 图3 1 显示了u c o s i i 的硬件和软件体系结构 应用程序处于整个 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 通过调用o s t a s k c r e 8 t e o 或0 s t a s k c r e a t e e 埘0 创建至少一个任务 0 s s t a n o p 开始多任务调度 o s s t a n 0 并不返回 3 3 4j 坨 o s i i 的任务及任务管理 通过在o sc f g h 文件中定义宏o sl o w e s tp r j o 可以决定系统 的任务的个数 c o s 1 1 支持多任务 其主要工作之一就是对任务进行 管理 调度 c o s i i 的任务管理包括在用户的应用程序中建立任务 删除任务 改变任务的优先级 挂起和恢复任务 下面介绍任务的基 本概念以及创建和删除任务的方法 u c o s i i 任务与c 函数语言类似 具有一个v o l d 返回类型和一个参 数 只是其从不返回 实际上其就相当于一个无限的循环 任务结构 的示意代码如程序清单如下所示 v o i dt h s k v o i d p d a t a f o r 慎s 户 弋码 内核服务 甩户代码 u c o s i i 中的任务可以看成由四个部分组成 应用程序本身 任务 堆栈 任务控制块 o st c b 以及任务优先级 应用程序即任务代码 被烧写到f l a s h 中 任务堆栈用于存储当前任务的c p u 寄存器内容 每 个任务都有自己的堆栈空间 堆栈必须被声明为o s s i k 类型 当任务 由运行态变成其他状态时 c p u 寄存器内容被压入相应的任务堆栈 当 任务由就绪态变成运行态时 则将该任务堆栈中的内容重新加载到c p u 寄存器中 任务控制块o st c b 是一个数据结构 当任务的c p u 控制权 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 被剥夺时 c o s i i 用它来保存该任务的状态 当任务重新获得c p u 使 用权时 任务控制块能确保任务从被中断的那一点丝毫不差地继续执 行下去 o st c b 全部驻留在 a m 中 在任务建立的时候 o st c b 被 初始化 在u c o s 下开发应用程序 也就是要将应用划分成多个任务 通 过任务来实现所需的功能 因此 程序实现的第一步就是建立任务 任务可以在多任务环境启动之前建立 也可以多任务环境启动后 由 运行的任务建立 需要注意的时 在启动多任务环境前必须至少创建 了一个任务 u c o s 中提供了2 个系统函数来建立任务 0 s t a s k c 触l t e 和o s t a s k c r e 征x t 在建立任务时 需要指定任务的开始地址 任务堆 栈栈项指针 以及任务的优先级 利用o s 协k c r e a t e 创建任务的方法如下所示 o s t a s k c r e a t t a s i 小i 锄e v o i d 年 p d a t a o s s t k t a 8 k s t a c k s t a c k s i z e i t a s l p f ox 其中t a s k n a m e 为任务的名称 p d a t a 是向任务传递的参数 t a s k s t a c k 为分配给任务的堆栈 而t a s kp m 是任务的优先级 3 3 5u c o s i i 的任务调度 u c o s 为占先式内核 这就意味着几乎每个时刻总是运行处于就 绪态的最高优先级任务 任务调度的主要工作就是查找进入就绪态的 最高优先级任务 由于任务的调度是基于优先级的 当低优先级任务 在执行时 如果有高优先级任务进入就绪态 则当前任务将被挂起 转而执行处于就绪态的高优先级任务 当任务所等待的信号量可用或者等待超时时会发生任务级调度 任务向其它任务发送消息时也可能发生任务调度 任务级的调度是由 函数0 s s c h e d 调用汇编函数o s c t x 跚来实现的 在退出中断服务子程序 时 如果有高优先级任务处于就绪态 则会发生中断级任务调度 内 核执行该高优先级任务 否则恢复执行被中断的任务 由于雎c o s i i 为占先式内核 应注 统的编程与擦除操作 通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序 列 可对f l a s h 进行编程 烧写 整片擦除 按扇区擦除以及其它操 作 由于f l a s h 存储器在系统中常用于存放程序代码 系统上电或复 位后便从此获取指令并开始执行 与f l a s h 存储器相比较 s d r a m 不具有掉电保持数据的特性 但其存取速度大大高于f l a s h 存储器 且具有读 写的属性 因此 s d ra m 在系统中主要作程序的运行空间 数据及堆栈区 当系统启 动时 c p u 首先从复位地址o x o 处读取启动代码 在完成系统的初始 化后 程序代码一般应调入s d r a m 中运行 以提高系统的运行速度 同时 系统及用户堆栈 运行数据也都放在s d r a m 中 s 3 c 4 4 b o x 的存储系统的地址空间具有8 个存储体 每个存储体 可达3 2 m b 总共可达2 5 6 m b 在这8 个存储体中 b a l l k 0 b a n i 5 可 支持r o m s r a m b a n l 6 b a i l k 7 可支持r o m s r a m 和 f p e d o s d r a m 等 只需要将c p u 上的相应b a n l 连线按到外设芯 片的片选引脚上 便可以根据相应的地址进行存储器或外设操作了 在本系统中 存储器的配置依照p c 机的结构 使用b a l l k o 上的f l a s h 来放置系统b i o s 系统上电以后 p c 指 针自动指向b a n i o 的第一个单元 开始进行系统白举 系统自举完成 以后 便从硬盘中将系统文件和用户应用程序复制到s d r a m 内存中 执行 用s d r a m 当作系统内存 只有b a i l l 6 b a i l l 7 能支持s d r a m 所以将s d r a m 接在b a n k 6 上 如果同时使用b a n k 6 b a l l l 7 则要求 连接相同容量的存储 而且其地址空间在物理上是连续的 4 2 4 审口电路单元 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用广泛的一种串行接口 被美国 电子工业协会定义为 在数据终端设备和数据通讯设备之间使用串行 二进制数据交换的接口 作为一种硬件协议 r s 2 3 2 被用于连接 d t e d a t at e f m i n a le q u i p m e n t 数据终端设备 和d c e d a t a 墨主亟 蒌墨堑堕鱼 墨 墼塑堡塑鲤壁盐兰垂塑 系统的开发平台 选择a r m u c o s i i 作为该系统的核心 主要是基 于以下考虑 1 选择a r m 嵌入式处理器的必要性 处理速度快 a 脚垤是 s c 结构的处理器 而且 姐m 7 内部集成了三级流水 线 大大增加了处理速度 超低功耗各种档次的删的功耗都是同档次其他嵌入式处理器中较低 的 低电压 微电流供电 这些都无疑为便携式设备最理想的选择 应用前景广泛 目前 删的使用最广 开发资源丰富 有利于缩短产品的研 发周期 而且对于删开发应用平台 我们有了较好的技术基础 可以在较短时间内研制出合适的产品 价格低廉 在各种嵌入式处理中 删的价格适中 而且使用量大 比较 容易购买 技术支持力量比较强大 2 选择嵌入实时操作系统u c o s 的必要性 嵌入式实时操作系统r t o s 是嵌入式系统的软件开发平台 在嵌 入 式实时操作系统环境下 开发一个复杂的应用程序 可以将整个程序 分解为多个任务模块 提高了开发效率 缩短了开发周期 而且 嵌 入式实时操作系统充分发择了3 2 位c p u 的多任务潜力 另外 使用 r i o s 还可以提高系统的实时性和可靠性 与其他实时操作系统相比 u c o s i i 有自己的特点 这些特点决 定了使用这个操作系统要比不使用操作系统在开发和功能上具有更 多的优势 结构简单 c o s 采用c 语言和汇编语言 其中绝大部分用c 语言 结 构非常简洁 这就为编程人员使用此操作系统提供了便利 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 图4 2s 3 c 4 4 b o x 内部结构图 4 2 2g p r s 通讯模块 目前 用于工业系统的g p r s 数据传输模块有很多 比如西门予 的m c 3 5 m c 3 5 t 爱立信的g m 4 7 g m 4 8 等 市场上关于g p r s 的 应用主要使用的是西门子的m c 3 5 模块 该模块结合语音 数据传输 短信服务及f a x 等功能 最大传输速率可以达到8 5 6 k b p s 特别适 用于数据的监测和传输 根据系统要求及性能价格比 在本系统中 g p r s 模块选用m c 3 5 作为g p r s 通讯模块 来达到通过g p r s 承载 业务传送数据的目的 l m c 3 5 的特点 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 m c 3 5 模块主要由g s m 基带处理器 g s m 射频部分 电源a s l c 电 路 f l a s h 存储器 s 删以及z 连接器和天线接口组成 m c 3 5 模块 的结构如图4 3 所示 3 m c 3 5 的接线方式 m c 3 5 数据接口为t t l 电平的r s 2 3 2 接口 共有九条信号线 分别 是1 x d l b d d t r d s r c t s r t x g n d r i n g d c d 它提 供给用户上位机与m c 3 5 的命令和数据传输通道 可以通过a t 指令集进 行参数配置 晟高速率可达5 7 6 0 0 b 口s 本文采用三线制呦脚 澄d 的方式连接m c 3 5 与s 3 c 4 4 b o x 接线简图如图4 4 所示 对于标准r s 2 3 2 中未使用的引脚 如果为输出引 脚则浮空 如果为输入引脚则通过1 0 k 欧姆电阻上拉 i g t 引脚用于启 动g p r s 引擎模块 为下降沿使能 i g t 引脚与s 3 c b 0 x 通用端口相 连 利用软件启动m c 3 5 m c 3 5 的硬件接口资料可以参见文献 图 哇i c 3 5 接线简图 4 m c 3 5 模块的s 肌卡接口 m c 3 5 模块是机卡分离的移动终端设备 要登录到移动网络上 还 必须通过其s 珊卡接口扩展外部s 州卡插槽 m c 3 5 模块的s m 卡接口符 合i s o7 8 1 6 3i c 卡标准 m c 3 5 模块的s m 卡接口共有6 个引脚 各个引 脚的作用和定义如下 基于嵌入式系统的g 豫s 数据终端的设计与实现 第五章g p r s 终端的软件实现 对于一个完整的嵌入式系统 应包括硬件开发 编写b o o t i o a d e r 移植操作系统 软件开发等 上一章我们已经选择好了目标系统的硬 件平台 本章我们主要研究g p r s 终端的软件实现 下面首先看一下 g p r s 终端工作流程及设计目标 然后介绍一下嵌入式系统的开发平 台 最后主要介绍一下各模块的具体实现 5 1g p r s 终端工作流程及设计目标 5 1 1g p r s 终端工作流程 本系统的核心功能由嵌入到中央控制器的软件实现 我们首先在 s 3 c 4 4 b o x 微处理器上移植心 o s i i 然后在 c o s i i 平台上进行应 用系统的开发 实现t c p 口协议栈对数据进行打包 解包处理 终 端与控制中心之间就可以采用t c p i p 协议进行通信了 本文采用了 在嵌入式实时操作系统 c o s i i 下编程的方法 u c 0 s 1 i 内核为通讯 协议和应用程序提供任务管理与调度 利用u c 0 s 的占先式多任务 调度机制来保证系统的实时性 在实时操作系统下通过多任务调度 即可实现r s 2 3 2 数据和中心站的相互通信 系统整体框图如图5 1 所示 g p r s 无线数据终端上电或复位后 首先等待参数配置命令 如 果收到配置命令 则进入配置状态 否则 读取片内用户f i a s h 中保 存的配置信息 接着通过串口向g p i 峪无线模块发送相应的衄 指令 g p r s 终端开始进行拨号和p p p 协商过程 当p p p 协商成功 无线模 块登陆网络成功后 系统通过加载p p p t c p 巾d p p 等协议 同中心 建立起s o c i 1 玎连接 数据的双向传输通道建立 系统进入发送 接收用户数据和定时向数据中心注册的循环状态 g p r s 终端工作流 程如图5 2 所示 基于嵌入式系统的g p r s 数据鹫输阴发计与头现 图5 1 系统整体根酉 3 8 基于嵌入武系统的g p r s 数据终端静设计与买批 图5 3 系统开发环境 那么 在建立了目标系统的软硬件开发平台后 我们就可以向基 于s 3 c 4 4 b o x 的硬件上移植 c o s 操作系统 在此基础上进行应用 软件的开发 继续开发g p r s 功能 5 3 c o s i i 在s 3 c 4 4 8 0 x 上的移植 要使用u c 0 s 首先应将其成功地移植到所使用的c p u 上 所谓 移植 就是使 个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行 为 了方便移植 大部分u c o s i i 的代码是用c 语言编写的 但是仍需要用 汇编语言编写一些与处理器硬件相关的代码 这是因为u c o s i i 在读写 处理器寄存器时 不能用c 语言来实现 由于雎c o s 在设计之初就已 经充分考虑了可移植性 所以u c o s 的移植相对来说比较容易 5 3 1 移植条件 2 5 要使u c o s 正常工作 处理器必须满足以下要求 处理器的c 编译器能产生可重入型代码 可重入代码指的是一髟 代码 如一个函数 可以被多个任务同时调用 而不必担心会破坏数据 代码的可重入性是保证完成多任务的基础 除了在c 程序中使用局部耍 4 1 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 t y p e d e f u n s i g n e d i n t o s s t k 幸堆栈入口宽度1 6 位 该文件还定义了舢洲处理器退出临界区和进入临界区的宏定义 群d e f i n eo s n t e i u r j t i c a l 0 削l m d i s a b i e l m o 产关中断 群d e 矗n e0 s e t c t i c a l 舢孙伍n a b l e i n t 0产开中断 堆栈增长方向也由该文件定义 堆栈由高地址向低地址增长 这 也是和编译器有关的 拌d e f i n eo ss t kg i 的w 1 h1 产堆栈的增长方向1 为递减 o 为递增 2 o sc p uc c 的移植 用c 语言编写6 个简单的函数 o s t a s l s t k i 血 函数用来初始化任务的堆栈结构并返回新的指针 s t k 初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构 在删体系结 构下 任务堆栈空间由高至低依次保存着p c 1 r r 1 2 r l l r l o r 1 r o c p s r s p s r 任务堆栈初始化函数具体代码如下 的i d8 0 s t a s k s t k i n i t v o i d 4 t a s k v o i d p d v o i d p d a t a v o i d p t o s i n t l 6 uo p t u 1 1 s i g i l e d i n t s t k o p t o p t 产o p t 未使用 此处可防止编译器警告 s t i 1 l n s i 朗e di n t p t o s 产载入堆栈指针 幸为新任务建造上下文t 8 一一s t k 帆s i g n e di n t t a s k p p c 4 一s t k 觚l s 噜n e di n t t a s k p l r 一s t 0 1 2 一g f l o r l l 4 非 o 叶1 0 一s t k o 4 r 9 4 卡 s t k o r 8 丰 8 t k o r 7 卑 s t k o p r 6 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 8 s t l f o r 5 一s t l f o p r 4 8 s t k 0 r 3 s t k 0 r 2 s t k o 严r l s t k 啪s i g n e di n t p d a t a r o s t k s v c 3 2 m o d 纠o x 0 p 印s r l q f i q 关闭 4 一s t l s v c 3 2 m o d e f o x o ps p s r 承q h q 关闭 r e t u m v o m s t 蹴 下面这5 个函数是h o o k 函数 为用户定义函数 执行特定的用户操 作 如果没有特殊需求 则只需简单地将它们都实现为空函数就可以 但必须声明 o s t a k c r e a t m o o k 0 0 s t a s d h o o k 0 s t a s k s w h o o k o s t a s k s t a t h o o k o 0 s t i m e t i c 妞o o k o 3 o sc p ua a s m 的移植 用汇编语言编写5 个简单的汇编函数 这5 个汇编函数分别为 o s s t a r t h i g 抓d y 0 o s 1 a s k s 硪 0 s t i c l d s r 以及 m 汛 i s a b l e i n t m m n a b l e i n t o 下面介绍这5 个函数的移植过程 o s s t a n h 噜h r d y 0 函数是在0 s s t a n 0 多任务启动后 负责从最高优 先级任务的t c b 控制块中获得该任务的堆栈指针s p 通过s p 依次将c p u 现场恢复 这时系统就将控制权给用户创建的该任务进程 直到该任 务被阻塞或者被其他更高优先级的任务抢占c p u 该函数仅仅在多任务 启动时被执行一次 用来启动第一个 也就是最高优先级的任务 g l o b a l o s s t a n h i g h r d y 0 s s t a r t l m g i l r d y 基于嵌入式系统的g 豫s 数据终端的设计与实现 l d r r 4 a d d ro s t c b c u e 严得到当前任务控制块的地址 l d r r 5 a d d r p s t c b h i g h r d y 得到最高优先级任务控制块的地址 l d r r 5 r 5 p 得到堆栈指针4 l d r s p r 5 p 转向新的堆栈 s t rr 5 r 4 产设置新的任务控制块的地址 u m f i 8 p r 4 m s r s p s r c x s r 4 l d m f d s p r 4 严从堆栈顶得到新任务的状态 m s r c p s r c s f r 4 l d m f d 8 p r o r 1 2 l r p c p 开始新的任务 任务级的上下文切换函数o s j a s k s w 0 它是当任务因为被阻 塞而主动请求c p u 调度时被执行 由于此时的任务切换都是在非异常模 式下进行的 因此区别于中断级别的任务切换 它的工作是先将当前 任务的g p u 现场保存到该任务堆栈中 然后获得最高优先级任务的堆栈 指针 从该堆栈中恢复此任务的c p u 现场 使之继续执行 这样就完成 了一次任务切换 其程序清单如下所示 g l o b a l0 s j a s k s w o s a s k s w s t m f d s 乩 l r 严 s n 伍d s p k 严 s 咖r ds 虬 r o r 1 2 保存返回地址和寄存器文件4 吸sr 4 c p s r s t m f ds p r 4 p 保存c p s r 将最高优先级设置成当前优先级 u 垠r 4 a d d l o s p r i o c u r l d r r 5 a d d f 0 s p r i o h i g h i y l d r br 6 r 5 s n 啦r 6 n 4 p 得到当前任务控制块的地址 4 5 基于嵌八式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 l d r r 4 a d d r o s i c b m u r r 5 r 4 s t r s p r 5 p 把s p 存入被抢占的任务的控制块中 产得到最高优先级任务控制块的地址 l d r r 6 a d d r o s t c b h i g h r d y u r r 6 r 6 l i rs p r 6 产得到新任务的堆栈指针 p 把最高优先级的任务设置成当前任务 s t r r 6 r 4 l d m f d s p r 4 m s r s p s r c x s f r 4 l d m f d s 此 r 0 一r 1 2 l r p c 皋从新任务堆栈中恢复所有的寄存器 时钟节拍是特定的周期性中断 这个中断可以看作是系统心脏的 脉动 时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节 拍 以及当任务等待事件发生时 提供等待超时的依据 o s t i c l i s r 0 就是时钟节拍中断服务函数 下面给出了o s7 n c l d s r 0 的部分代码 g l o b a l0 s t i c k i s r o s t i c l i s r s 加b s p r o r l l l r m r s r o c p s r o r r r 0 r o 拌o x 8 0 严设置中断禁止标志 m s rc p s rc x s r o 产中断结束 l d r f o l i s p c l d r r l 2 b i t t m 皿r o s t r r l r o b l i r q s t a n b lo s l 抽d n c k b l i r q f i n i s 也 l d r r o 2 n e e u o s w 印 c o n t e x t 基于嵌入式系统的黜数据终端的设计与实现 l d r r 2 r o c m p r 2 撑l l d r e qp c i c o n s w 退出临界区和进入临界区函数分别是退出临界区和进入临界区的 宏指令实现的 主要用于在进入临界区之前关闭中断 在退出临界区 的时候恢复原来的中断状态 实现如下 g l o b a la i i s a b l e i n t 越m 仍i s a b l e i n t 进入临界区前关中断 s t m d b s p r o n 峪r o c p s r o i 墩r 0 r o 撑n o i n t m s r c p s r j c x s r 0 l d m a 印 r 0 m o v p c 址 g l o b a la r 匝n a m e i n t 问 a b l d n t 退出临界区后开中断 s b s p r o m r sr 0 c p s r o r r r 0 r o 珊4 0 i n t m s r c p s r c x s r o u m 队s 儿 r o m o v p c 1 c 完成上述工作后 c o s i i 就可以运行在删处理器上了 5 3 3 移植后的内核测试 上述工作完成之后 还要对移植后的内核在目标板上进行测试 为p c o s i i 编写一个启动程序 初始化系统的硬件环境和软件环境 初 始化定时器以及初始化串口 并向操作系统提供一些硬件相关例程和 函数 以方便调试 在c p u 板级和程序自身初始化完成后 就可以把 基于嵌八式系统的g 豫s 数据终端的设计与实现 c p u 的控制权交给操作系统了 5 4 通信协议的实现 2 9 3 0 本课题设计和实现了g p r s 无线数据终端 主要目标是利用 舻r s 网络与远程控制中心无线通讯 所以通讯协议的实现是本文软件实现 的主要任务 t c p i p 协议定义了网络层和传输层的公众规程特性 用以提供网 络和运行不同操作系统的各类计算机之间相互通信 在该部分的设计 中 需要利用t c p 口协议来完成g p r s 业务数据的装帧和拆帧 但 由于资源有限 需对t c p 坤协议进行合理地简化 采用分层的结构 实现 简化层次的目的是为了便于系统的软件调试 提高编程效率 在本课题中 采用在嵌入式实时操作系统 c 0 s i i 下编程方式实 现了软件功能 g p r s 终端实现的协议栈是t c p 诤o v e r 冲p 简化后 的网络协议主要有切 p 协议 邛协议 i c m p 协议 p p p 协议 d t u 发送数据时 按应用层 用户数据 一传输层 u d p 一网络层 口 一 数据链路层 p p p 一物理层 串口 顺序进行数据封装 而在接收数 据时 以相反的顺序进行解封装 上层函数的实现需要应用到底层函 数 而底层函数的任务是为上层函数提供服务 最终完成应用层任务 传输数据 通讯协议的模型如图54 所示 囹5 哇t c p i p 协议棱模型 图中各层的功能是 应用层负责处理特定的应用程序细节 4 8 基于嵌入式系统的g p r s 数据终端的设计与实现 传输层为主机上的应用程序提供端到端的通信 采用u d p 协议 网络层为主要每一次链接具体分配一个坤地址 数据链路层采用碑o v e rp p p 实现数据终端的接入 由微处理器控制 m c 3 5 模块 采用p p p 协议实现 下面详细介绍各层的具体实现 5 4 1 物理层 该终端与g p r s 网络之问的物理层通道就是g p r s 连接 具体的 g p r s 协议都已被做在g p r s 通讯模块中 通过数据端对g p r s 模块正 确的a t 指令设置后 就可以进行a t 拨号指令进行拨号连接 当收到 g p r s 模块的拨号反馈应答后 一条物理通道即g p r s 信道就在本终端 中g p r s 模块和g p r s 网络之间建立了起来 驱动程序层是数据链路层和物理层的接口 用于将协议栈产生的 数据发送给m c 3 5 或接收m c 3 5 传递的数据 5 4 2 数据链路层 t c p 佃协议簇支持多种不同的链路层协议 如以太网 令牌环网 f d d i 光纤分布式数据接口 及r s 2 3 2 串行链路等 本系统中m c 3 5 与 c p u 之间采用三线制r s 2 3 2 方式连接 链路层使用p p p 协议进行通讯 在物理层之上 p p p p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 协