（信号与信息处理专业论文）ale在短波通信中的应用.pdf

， 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作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。 本人签名： 然! 塾墨 日期： 鲤! ：! ：! z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：出生：! ：12 日期：鲨监屿l 弋 冬，产 】 ， i ， ，t a l ei nh fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a bs t r a c t h i g h - f r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o ni sat r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , b e c a u s eo fi t ss i m p l ee q u i p m e n t ，e a s yt ou s e ，t h ea d v a n t a g e s o ff l e x i b l ew i d e l yu s e d b u ti t sl i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c e ，v u l n e r a b l et o i n t e r f e r e n c ea n do t h e rs h o r t c o m i n g ss e r i o u s l yr e s t r i c t e di t sd e v e l o p m e n t m o d e mh i g h - f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nu s e sl i n kq u a l i t ya n a l y s i s ( l q a ) t e c h n o l o g yt oo b t a i nc h a n n e lp a r a m e t e r sr e a l t i m eb ys c a n i n ga l l a v a i l a b l ec h a n n e l sf o ra u t o m a t i cl i n ke s t a b l i s h m e n t ( a l e ) a n d c o m m u n i c a t i o n sa u t o m a t i o n ，a n dt op r o v i d et h eb e s tc o m m u n i c a t i o n q u a l i t y c h i n aa c c o r d i n gt o m i l - s t d 188 - 141am a d eg j b2 0 7 7 - 9 4 h i g h f r e q u e n c ya d a p t i v e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a u t o m a t i cl i n k e s t a b l i s h m e n tp r o t o c o l ，b e l o n g st ot h es e c o n d - g e n e r a t i o nh fa u t o m a t i c l i n ke s t a b l i s h m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e sah i g h - p e r f o r m a n c ep r o c e s s o rs t m 32 f10 3r c 6 a n dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i ib a s e dt or e a l i z e2 g - a l e ，t h e a p p l i c a t i o ni su s e r - f r i e n d l yb yg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e t c g u i k e y w o r d s ：l q a a l e i 上c o s i i t c g u i 一 - h h 目录 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 1 1 短波通信简介1 1 1 2 自动链路建立( a l e ) 简介1 1 1 3 国军标g j b2 0 7 7 9 4 简介2 1 2 课题研究意义3 1 3 论文结构3 第二章软硬件平台介绍4 2 1 硬件平台概述4 2 2 微处理器s 1 m 3 2 f 10 3 r c t 6 4 2 3 软件平台概述7 2 4 嵌入式实时操作系统p c o s i i 8 2 4 1 叫c o s i i 特点8 2 4 2p c o s i i 内核工作原理1 0 2 4 3p c o s i i 初始化1 1 2 4 4i t c o s i i 启动12 2 5 图形用户接口心g u i 1 3 2 5 1 肛c g l r 的特点1 4 2 5 2i i c g u i 软件结构15 2 5 3i t c g u i 的窗口管理16 2 5 4p c g l r 消息处理机制一1 6 第三章 i i c o s i i 移植18 3 1 移植准备l8 3 2p c o s i i 移植l9 3 2 1o sc p u h 文件2 0 3 2 2o s c p u c c 文件2 2 3 2 3o s c p u _ a a s m 文件一2 3 第四章 r t c g u i 移植2 8 4 1 配置文件修改。2 8 4 1 1l c d 控制器配置2 8 4 1 2g u 组件配置2 8 4 2l c d 驱动；2 9 4 3 操作系统相关移植3 0 4 4 增加汉字支持3l 第五章2 g - a l e 协议实现3 3 5 12 g a l e 协议概述3 3 5 22 g a l e 协议基础3 4 5 2 1 信号波形3 4 5 2 22 g - a l e 字格式3 4 5 2 3a l e 字说明3 5 5 2 4a l e 字符集3 6 5 3 前向纠错编码3 6 5 3 1g o l a y 码基础3 7 5 3 2g o l a y 编码3 8 5 3 3g o l a y 译码3 9 5 4 冗余发送和大数判决。4 1 5 5a l e 帧结构4 2 5 6a l e 的地址结构4 3 5 7 链路质量分析( l q a ) 。4 4 5 7 1b e r 4 4 5 7 ：! s i n a d 4 5 5 7 3 多径( m p ) 4 5 5 8 信道选择。4 5 5 9a l e 呼叫流程：4 5 5 9 1 单站呼叫4 5 5 9 2 其他呼叫4 7 ， - 5 1 0 探测协议4 7 5 1 1 轮询协议4 8 5 1 1 1 两站单信道轮询4 8 5 11 2 多站单信道轮询4 8 5 1 1 3 两站多信道轮询4 8 5 1 2a l e 模块4 8 第六章 3 g - a l e 介绍5 0 6 1 概述5 0 6 23 g - a l e 特点。5 1 6 2 1 链路建立的同步性5 1 6 2 2 驻留组划分51 6 2 3 地址结构5 l 6 2 4 信道分离5l 6 2 5 时隙划分与发送前监听5 2 6 2 6b w x 突发5 2 第七章总结与展望。5 3 致谢：5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 1 1 课题背景 1 1 1 短波通信简介 第一章引言 短波通信，又称为高频通信，是指利用波长为1 0 0 m , - - 一1 0 m ( 频率为3 - - 3 0 m h z ) 的电磁波进行的无线电通信。短波可以沿着地表面以地波方式传播，也可以通过 电离层反射以天波方式传播。由于地波的衰减随着频率的升高而增加，短波利用 地波传播时，以常用的发射功率的传播距离仅几十公里到几百公里，故这种传播 方式在短波通信中起不了主要作用l l j 。短波利用天波传播时，由于电离层的吸收 随着频率的升高而减小，对短波的吸收不大，故可以通过电离层对短波进行一次 或多次反射实现远距离传播。通常，一次反射传输的最大距离可达4 0 0 0 k m ，多 次反射可传输上万公里甚至作环球传播。因而，短波电离层反射传播是短波通信 的主要传播方式。 短波信道传输带宽十分有限，一般认为只能达到数k b p s 到数十k b p s 。这使 得要在其上传输大量的数据和语音业务变得十分困难。天波传输方式利用电离层 的反射传送信息，由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介 质，因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布 的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。多径延迟典型值2 - - - 8 m s ，多普勒频率 扩展的典型值0 1 h z ，多普勒频移在0 0 1 1 0 h z 范围内变动，在高纬度地区多径 延迟可达1 3 m s 以上，多普勒扩展可达7 3 h z l 2 j 。所以短波通信传输可靠性相对较 差，而电离层的异常中断也可能引起较长时间的通信中断。 8 0 年代前，卫星通信技术的迅速发展曾一度使短波通信受到冷落，但8 0 年 代后，短波通信又作为重要的通信手段之一而受到人们的重视。由于卫星通信技 术要求高、造价昂贵，而短波通信技术相对简单、造价低，一般国家都能部署使 用。短波通信和卫星通信一样，可以实现全球通信，特别在低纬度地区，短波通 信的可用频段变宽，最高可用频率较高，受到粒子沉降时间和地磁暴事件的影响 较小，而卫星通信在低纬度地区受电离层或对流层的闪烁影响则较大。在计算机 技术发展的带动下，短波通信在自适应收发信机、自适应调制解调器、自适应均 衡及检测、自适应天线阵等一系列技术上获得了进展，使短波通信有可能克服高 干扰电平、衰落和多径传播等信道时变特性方面的困难，向实现数字化、低误码 率、高速率的目标迈进。 短波通信设备体积小、便于移动、灵活机动，作为商业电台、业余电台、驻 外使馆电台以及极区科学考察电台是一种合适的通信手段，可以传送电报、电话、 传真、语音广播和图像等多种信息，更适合于军事上使用，如车载、舰载、机载 等。随着太空技术的发展，在战争状态下，通信卫星作为主要军事目标而极易被 摧毁，且损坏后难以紧急修复，而短波通信目标小，不易被摧毁，即使遭受破坏 也容易修复。鉴于这一点，短波通信在军事通信中获得了广泛的应用。 1 1 2 自动链路建立( a l e ) 简介 在现代化战场上，各种军事车辆、舰船、战斗机及其它各种武器设备、战士 之间都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥，协调作战。这样的通信网络 需要具备能临时搭建、不依赖基础设施的特点。然而短波信道的恶劣使得这种网 络更难实现，正是基于这样的需求，2 0 世纪7 0 年代，美国国防部高级研究计划 局( d a r p a ) 资助研究了战地无线分组数据网( p i e t ) 。d a r p a 又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁自适应网络( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ， s u r a n ) 和全球移动信息系统( g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ，g l o m o ) 两个项目 的研究，以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。 较早的短波通信系统采用电离层探测的方法来为通信系统选择最优频率，这 类系统大多属于独立的信道探测系统。如1 9 6 8 年美国研制的c u r t s 系统( 公 共用户无线传输系统，简称自动选频和预报系统) 、加拿大研制的c h e c 系统。 二十世纪7 0 年代初，美国b a r r y 公司开发出宽带c h i r p 系统，于1 9 7 6 年发展成 为美军第一代战术频率管理系统。比如a n t r q 3 5 ( v ) 系统，它发送c h i r p 探 测信号完成2 - 3 0 m h z 频率上各种参数信号估算，能显示5 个等级4 8 个优选频率， 使短波通信的可靠性提高了1 0 - - 1 0 0 0 倍。该系统已经装备了世界上许多国家的部 队。8 0 年代后，短波通信技术进入新的阶段，出现可美国r o c k w e l l & c o 伍n s 公 司的s e l s c a n 和a l q a 系统( 军用型号为a n a r c 1 9 0 ( v ) 系列) ，它率先采用 了先进的链路质量分析器a l q a ，能完成信道自动选择与建立以及切换，收发信 机快速调谐。该系统具有链路质量分析、信道自动选择、自动链路建立、选择呼 叫、信道自动切换等功能。美国空军根据高频改进计划，将b 一5 2 轰炸机和k c 一1 3 5 飞机上的短波电台换为a n a r c 1 9 0 ( v ) ，改装成自适应选频通信系统。另外还 有美国h a r r i s 公司的r f 1 0 0 系列、德国s i m e n s 公司的c h x 2 0 0 、德国a e g 公 司的a r c o t e l 系统、德国r o h d e & s c h w a r t z 公司的h f 8 5 0 ( a l l s ) 、以色列 t a d i r a n 公司的m e s a 和h f 2 0 0 0 。在海湾战争中，多国部队由a n a r c 1 9 0 ( v ) 和a n c r r q 4 2 ( v ) 战术实时频率管理系统支持构成课短波自适应通信系统，为 战争的胜利提供了保障。 现代短波通信一般都采用实时链路质量分析( “n kq u a l i t ya n a l y s i s ，l q a ) 技术通过探测可用信道对信道进行实时估算，获取信道参数以达到为双方提供最 佳的通信质量和实现通信自动化。为保证各种自适应通信系统的互联互通，实现 三军通信的互联，一系列的规范和标准陆续出台。1 9 8 8 年美国推出了第一套完 整的关于a l e 系统的美军标f e d s t d 1 0 4 5 和美军标m i l s t d 1 8 8 1 4 1 a 。广泛 实验表明：采用1 4 1 a 标准的a l e 设备与未标准化的设备相比，链路建立概率 从6 0 提高到9 5 以上。因此，许多国家陆续研制出符合m i l s t d 1 8 8 1 4 1 a 标准的短波自适应系统。这些系统除了符合标准化外，还普遍采用了更新的技术， 包括调频技术、d s p 技术、网络技术、软件无线电技术等等、因此标准化和规范 化对于现代短波自适应通信系统的发展具有及其重要的意义。 1 1 3 国军标g j b2 0 7 7 9 4 简介 我国对短波自适应通信的研究和应用同国外相比仍旧比较落后。为了改变我 军短波通信技术的落后状态，尽快提高部队的装备水平，使得在未来战争中处于 有利的地位，国家加大了和加深了对短波自适应通信技术的研究和投入。“七五 期间，我国先后引进了国外多套自适应短波通信系统。这些系统的引进推动了我 国开发和研究自己的短波自适应通信系统的进程。8 0 年代末和9 0 年代初研制的 2 b f 3 2 0 0 、t c p 7 2 4 、m s r 8 0 0 0 等一些短波选频系统和频率管理系统已投入使用。 1 9 9 4 年，我国在美军标的基础上制定了中国军用标准“短波自适应通 信系统自动线路建立规程”g j b2 0 7 7 9 4 ，这一军用标准对短波自适应通信系统 自动链路建立进行了标准规范。该标准所规定的自适应系统可以保证可靠的链路 建立以及自适应链路建立( a l e ) 技术的互操作性。g j b2 0 7 7 9 4 标准的制定与 执行，使我军短波自适应通信有了依据，取得了良好的军事经济效益。本文所使 用的a l e 协议符合国军标g j b2 0 7 7 9 4 规定。 g j b2 0 7 7 9 4 规定了自适应系统的物理层与数据链路层协议，包括调制方式、 发射机性能指标、信道编码方式、数据通信格式、信道参数、信道选择原则、链 路建立和呼叫流程等1 3 】。对数据链路层之上的协议并没有明确规定，这在保证通 信的前提下可以方便的扩展各种业务。 随着网络应用的不断增加，人们对自适应技术提出了更高的要求，这些要求 包括：数据链路层更快的链路建立速度、更高的信道利用率、网络层更灵活的路 由协议、对上层更多应用的支持以及与i n t e r n e t 和其它网络的互连等。这势必要 求我国在该领域进行更深入的研究，并出台相应的新标准。 1 2 课题研究意义 由于我国在短波自动链路建立系统方面起步晚，技术落后，与其它国家相比 还存在很大的差距。课题在新一代高性能嵌入式处理器和a l em o d e m 之上，使 用g c o s i i 嵌入式实时操作系统，实现基于a l e 协议的短波通信具有划时代的 意义。 1 3 论文结构 本文内容主要分为两部分，其中第二章到第四章主要介绍软硬件相关内容， 第五章和第六章介绍a l e 相关的内容，具体安排如下： 第二章：简要介绍了本文实现的a l e 协议的软硬件平台，主要包括硬件平 台和基于a r mc o r t e x m 3 内核的处理器s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 、嵌入式实时操作系 统l a c o s i i 、图形用户接1 3g c g u i 。 第三章：详细阐述嵌入式实时操作系统l x c o s i i 在s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 处理 器上的移植。 第四章：详细阐述图形用户接口g c g u i 的移植。 第五章：详细阐述了2 g a l e 从物理层到数据链路层的协议和实现。 第六章：简要介绍了3 g a l e 和相比2 g a l e 协议的一些新技术与新特性。 3 2 1 硬件平台概述 第二章软硬件平台介绍 本文讲述的短波通信电台硬件结构框图如图2 1 所示。整个系统以微控制器 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 为核心，控制各个外围模块并处理a l e 协议，键盘和l c d 提 供人机交互；m i c 和扩音器提供音频采集和回放的通道；d a t a f l a s h 用于应用相 关数据存储；非易失铁电存储器f r a m 用于存放电台运行时的关键数据；a l e m o d e m 提供数据的调制解调、射频收发和信噪比等参数的测量。 图2 1 硬件系统框图 2 2 微处理器s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 是s t 公司基于a r mc o r t e x m 3 内核的s t m 3 2 f 1 0 3 增强 型处理器家族中的一款，最高工作频率为7 2 m h z ，可达9 0 m i p s ，支持三种低功 耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。 工作温度范围为_ 4 0 。c 至+ 1 0 5 ，供电电压2 o v 至3 6 v 4 。 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 内置高速存储器( 2 5 6 k b 的闪存和4 8 k b 的s r a m ) 、丰 富的外设资源和通信接口，系统框图如图2 2 所示。s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 内置2 个 1 2 位的a d c 、每个a d c 有多达1 6 个外部通道，可以实现单次或扫描转换：3 个通用1 6 位定时器每个定时器都有一个1 6 位的自动加载递加递减计数器、一 个1 6 位的预分频器和4 个独立的通道，每个通道都可用于输入捕获、输出比较、 4 1 p w m 和单脉冲模式输出，在最大的封装配置中可提供最多1 2 个输入捕获、输 出比较或p w m 通道；1 个专为操作系统设计的系统滴答定时器；外部中断事件 控制器( e x t i ) 包含1 9 个边沿检测器，用于产生中断事件请求，每个中断线都 可以独立地配置它的触发事件( 上升沿或下降沿或双边沿) ，可以检测到脉冲宽度 小于内部a p b 2 的时钟周期；2 个1 2 c 和s p i 接1 2 1 ，可以分别工作于主或从模式， 最高通信速率可达18 m b p s ；硬件c r c 产生校验支持基本的s d 卡和m m c 模式； 3 个u s a r t 可用于串行同步和异步方式的收发；1 个u s b 设备接口和1 个c a n 总线接口【4 1 。 图2 2s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 系统结构 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 性能如此了得，这主要归功于其强大的处理器内核：a r m c o r t e x m 3 。c o r t e x m 3 是a r m 公司近几年推出的首款基于a r m v 7 m 架构的处 理器内核，它以高性能、高代码密度、小硅片面积等诸多特性赢得了消费者的广 泛赞誉，在低成本单片机、汽车电子、数据通信、工业控制、消费电子等方面得 到广泛应用。c o r t e x m 3 处理器采用了至今为止最小的a r m 内核，该内核的核 心部分的门数仅为3 3 0 0 0 个，它把紧密相连的系统部件有效地结合在一起， c o r t e x m 3 内核简化视图如图2 3 所示。c o r t e x m 3 是一个3 2 位处理器内核，内 部数据总线、寄存器、存储器接口均为3 2 位；采用了基于哈佛架构的3 级流水 线，拥有独立的指令总线和数据总线，可以使指令和数据的访问并行操作，从而 提升处理器的性能，内部共设计几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过， 并且可以并行访问；集成了分支预测、单周期乘法、硬件除法等众多功能强大的 特性，可达到1 2 5 d m i p s m h z ；所有中断机制都由嵌套向量中断控制器( n v i c ) 管理，支持2 4 0 条外部中断和1 1 个内部异常源，可以实现f a u l t 管理机制；支持 4 g b 的存储空间，片上外设寄存器被映射到一定的内存空间，所以可以通过访 问内存的方式来访问外设的寄存器；一个可选的存储器保护单元( m p u ) 可以 对不同级别的存储器访问添加不同的访问限制，当违反访问规则时m p u 会产生 一个f a u l t 异常，由f a u l t 异常的服务例程来分析该错误并修正【5 1 。 外中断 信号维 图2 - 3c o r t e x - m 3 内核简化视图 c o r t e x m 3 处理器支持两种操作模式分别为h a n d l e r 模式和t h r e a d 模式，用 于区别普通应用程序和异常服务程序( 包括中断服务程序) 。c o r t e x m 3 还支持 两个级别的特权操作分别为特权级和用户级，这可以提供一种存储器访问的保护 机制，使得普通的用户程序代码不能意外地甚至是恶意地执行涉及要害的操作。 在c o r t e x m 3 运行主应用程序时( t h r e a d 模式) ，既可以使用特权级，也可以使 用用户级：但是异常服务例程必须要在特权级别下执行。复位后，处理器默认进 入t h r e a d 模式，特权级别访问。在特权级别下，程序可以访问所有范围的存储器， 并且可以执行所有命令【5 】。c o r t e x m 3 模式切换转移图如图2 4 所示，在特权级 别的程序可以切换到用户级别。一旦进入用户级别，用户级的程序不能简单的返 回到特权级别，而必须要使用系统调用指令s v c 触发s v c 异常，然后由异常服 务例程修改相应寄存器，才能从用户级别切换到特权级别。 事实上，从用户级别到特权级别的唯一途径就是异常：如果在程序执行过程 中触发了一个异常，处理器总是先切换到特权级别，并且在异常服务例程退出时 返回到先前的状态。通过引入特权级别和用户级别，就能够在硬件水平上限制某 些不受信任的或者还没有调试好的程序，不让他们随便地配置涉及要害的寄存器， 因而可以提高系统的可靠性。例如，操作系统的内核通常工作在特权级别下执行。 在操作系统开启了一个用户程序后，通常都会让它在用户级别下执行，从而使系 统不会因某个程序的崩溃或恶意破坏而受损。 c o r t e x m 3 的位带( b i t b a n d i n g ) 技术也是起一个亮点，处理器可以直接对 数据的单个位进行访问。c o r t e x m 3 最大支持i m 字节8 m 比特的位带区域，该 6 区域同时被映射到3 2 m b 别名区域。在别名区域中，某个地址上的加载存储操 作将直接转化为对被该地址别名的位的操作。对别名区域中的某个地址进行写操 作，如果使其最低有效位置位，那么位带位为1 ，如果使其最低有效位清零，那 么位带位为零；读别名后的地址将直接返回相应位带位中的值。除此之外，该操 作为原子位操作，其他总线活动不能对其中断。 图2 - 4c o r t e x - m 3 模式切换转移图 c o r t e x m 3 处理器除了支持单周期3 2 位乘法操作之外，还支持带符号的和 不带符号的除法操作，这些操作使用s d i v 和u d i v 指令，根据操作数大小的 不同在2 到1 2 个周期内完成。如果被除数和除数大小接近，那么除法操作可 以更快地完成。c o r t e x m 3 处理器凭借着这些在数学能力方面的改进，成为了众 多高数字处理强度应用( 如传感器读取和取值或硬件在环仿真系统) 所亲昧的理 想选择。 c o r t e x m 3 支持向量式中断和嵌套中断，当中断发生后，c o r t e x m 3 会自动 定位一张向量表，并且根据中断号从表中找出中断服务程序的入口地址，然后跳 转过去执行。c o r t e x m 3 对可嵌套中断的支持覆盖了所有的外部中断和绝大部分 系统异常，这些异常都可以被赋予不同的优先级。当一个异常发生时，硬件会自 动比较该异常的优先级是否比当前的异常优先级要高，如果发现发生了更高优先 级的异常，处理器就会中断当前的中断服务程序( 或者普通程序) ，而服务新发 生的异常即被立即抢占。 软件可以在运行时更改终端的优先级，如果在某个中断服务程序中修改了自 身的中断优先级，而且这个中断又有新的实例处于挂起中，也不会自己打断自己， 从而没有重入风险。c o r t e x m 3 为了缩短中断延迟，引入了好几种新特性，包括 自动的现场保护和恢复、“咬尾中断”和“晚到中断”的处理等的措施。c o r t e x m 3 既可以屏蔽优先级低于某个阈值的中断或异常，也可以全部屏蔽，这是保证时间 要求严格的任务在最后期限( d e a d l i n e ) 到来之前完成而不被干扰。 2 3 软件平台概述 本系统软件结构如图2 5 所示，为了满足系统对实时性的要求，采用了 7 i t c o s i i 嵌入式实时操作系统为基础，移植图形用户接口u c g u i 方便人机交互 界面的设计，应用程序主要处理a l e 协议和相关网络信息的管理。对各个外围 设备的底层操作由各驱动程序完成。这种分层的设计有利用系统整个代码的维护， 降低了各个模块之间的耦合程度，提高了系统整体的稳定性。 园一 图2 5 软件结构 2 4 嵌入式实时操作系统p c o s i i 嵌入式实时操作系统u c o s i i 是由j e a n j l a b r o s s e 先生编写的一种源码公开、 结构小巧、基于优先级抢占式内核的实时操作系统。i t c o s i i 绝大部分代码用c 语言编写，c p u 硬件相关的汇编语言部分被压缩到最低限度( 总量约2 0 0 行) ， 为的是便于移植到任何一种c p u 上。l x c o s i i 是面向中小型嵌入式系统的，具 有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点【刚。 a c o s i i 的目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个 内核之上提供最基本的系统服务。严格地说，p c i o s 1 1 只是一个实时操作系统内 核，它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信和同 步等基本功能，没有提供输入输出管理、文件系统、网络协议栈等额外的服务。 但由于l x c o s i i 良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用 户自己根据需要分别实现。 2 4 1p c o s i i 特点 8 曲内核可裁剪。肛c o s i i 的内核和一些外围组件可以很方便的通过宏定义 在源代码级进行裁剪，用户可以根据系统的需求对p c o s i i 进行相应的剪裁以 满足需求并达到实现需要的功能，i i c o s i i 内核最小可编译至2 k b ，在一些资 源紧张的系统中仍能够运用自如。 b ) 基于优先级调度的抢占式内核。在p c o s i i 中，最高优先级的任务一旦 就绪，总能得到c p u 的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任 务进入了就绪态，当前任务的c p u 使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个 高优先级的任务立刻得到了c p u 的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优 先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任 务开始运行。使用抢占式内核，最高优先级的任务什么时候可以执行，什么时候 可以得到c p u 的控制权是可知的，使得任务级响应时间得以最优化，实时性比 非抢占式的内核也要好。 c ) 丰富的任务间通信手段。g c o s i i 提供了4 中任务间通信和同步的手段， 分别为信号量、邮箱、队列、事件标志组。 信号量又分为计数型信号量和互斥信号量，计数型信号量可以作为一个触发 信号进行任务间同步，等待接收信号的任务一般只有接收到信号才可以执行，否 则任务一直暂停；也可以作为一个计数器，用于多个同类型资源的互斥访问或事 件计数器。等待信号量的任务可以设置无限等待或等待若干个时钟节拍后继续执 行。互斥信号量，又称为二进制信号量，常用于硬件互斥访问，和计数型信号量 相比，它只有两个状态，没有计数功能，但提供了防止在保护共享资源时出现的 优先级翻转的现象。 “ 邮箱是信号量的扩展，可以把一个指针变量从一个任务传递到另一个或多个 任务中去，这个指针是先发到邮箱，然后等待任务从邮箱里提取指针，这也就传 递了指针指向的具体变量值。等待邮箱的任务也是可以设置无限等待和等待若 干个时钟节拍后任务自动恢复执行。 队列可以看做由多个邮箱组成的数组，也可以看做是个指针数组，任务之间 可以按照一定顺序以指针定义的变量来传递，即是发送一个个指针给任务，任务 获得指针，来处理指向的变量。指针变量进出队列可以有不同的方式，如先进先 出，先进后出等。 当任务需要与多个任务同步时，须要使用事件标志组。任务可以等待事件标 志组中某些位置位l ，也可以等待事件标志组中某些位清o ，而置1 ( 或清0 ) 又 可以分为所有事件都发生的“与”型和任何一个事件发生的“或”型，这样便有了4 种不同的类型。将前一个任务所需要的标志位( 置位或清0 ) 使之满足要求，前 一个被挂起的任务将被置为就绪态。因此几个任务可以同时得到所需要的事件标 志进入就绪态。注意：只要任务所需要的标志位满足要求，任务便进入就绪态。 与信号量不同，信号量中的任务需要是在等待该信号量中优先级最高的任务才能 得到信号量进入就绪态。 d ) 简单实用的内存管理机制。一般的高级语言本身都提供了内存管理模块， 如c c h 中提供的m a l l o c 0 、f r e e ( ) 、n e w 、d e l e t e 方法用于用户程序的动态存储 管理。这些方法在堆中进行内存分配，一般由操作系统、编译器提供支持。基于 动态存储分配的内存管理，需要解决由于多次内存分配时存在的内部碎片和外部 碎片的问题。g c o s i i 没有提供复杂的存储管理机制，因为复杂的机制意味着更 多的代码、更多的存储空间和更复杂的操作。i 上c o s i i 把连续的大块内存进行分 区，每个分区包含整数个大小相同的内存块，在一个系统中有多个不同内存大小 9 的分区。这样，应用程序根据不同的需求，从不同大小的内存分区中分配相应大 小的内存。对于不用的内存，又重新释放回原来的分区。通过这样的内存管理算 法，解决了内存粹片的问题，提高了系统性能。 通用的堆内存分配机制，内存分配的时间决定于系统所处的时期和遍历算法， 造成内存分配的时间确定性，而p c o s i i 的存储块管理模式的内存分配时间固 定。“c o s i i 也没有提供对虚拟存储管理、缓存管理等复杂操作。 2 4 2p c o s i i 内核工作原理 l a c o s i i 将任务划分为5 个状态，分别为就绪态、运行态、阻塞态、睡眠态 和中断服务态 7 。图2 - 6 是p c o s i i 控制下的任务状态转移图。每个任务在特 定的时间只能处于其中的一种状态。任务在内核的控制下在各个状态中转移。 图2 - 6 任务状态转移图 睡眠态( d o r m a n t ) ：指任务驻留在程序空间( r o m 或r a m ) 之中，还 没有交给p c o s i i 管理。把任务交给1 t c o s i i 可以通过调用o s t a s k c r e a t e 0 或 o s t a s k c r e a t e e x t 0 函数来实现。 就绪态( r e a d y ) ：任务一旦建立，这个任务就进入就绪态准备运行。任务 的建立可以是在多任务运行开始之前，也可以是动态地被一个运行着的任务建立。 如果一个任务是被另一个任务建立的，而这个任务的优先级高于建立它的那个任 务，则这个刚刚建立的任务将立即得到c p u 的控制权。一个任务可以通过调用 o s t a s k d e l 0 返回到睡眠态，或通过调用该函数让另一个任务进入睡眠态。 运行态( r u n n i n g ) ：调用o s s t a r t 0 可以启动多任务。o s s t a r t o 函数只能在 启动时调用一次，该函数运行用户初始化代码中已经建立的、进入就绪态的优先 级最高的任务。优先级最高的任务就这样进入了运行态。任何时刻只能有一个任 务处于运行态。就绪的任务只有当所有优先级高于这个任务的任务都转为等待状 态或者被删除了，才能进入运行态。 等待状态( w a i t i n g ) ：正在运行的任务需要将自身延迟一段时间或期待某 一事件的发生时可以通过调用o s t i m e d l y 0 、o s t i m e d i y h m s m 0 、o s s e m p e n d 0 、 o s m b o x p e n d o 、o s q pe a d 0 等函数将自己阻塞而进入等待状态。当任务因等待事 l o 件被挂起( p e n d ) ，下一个优先级最高的任务立即得到了c p u 的控制权。当事件 发生了，被挂起的任务进入就绪态。事件发生的报告可能来自另一个任务，也可 能来自中断服务子程序。 中断服务态( i s r ) ：正在运行的任务是可以被中断的，除非该任务将中断关 了，或者i - t c o s i i 将中断关了。响应中断时，正在执行的任务被挂起，中断服 务子程序控制了c p u 的使用权。中断服务子程序可能会报告一个或多个事件的 发生，而使一个或多个任务进入就绪态。从中断服务子程序返回之前，i t c o s i i 需要判定被中断的任务是否还是就绪态任务中优先级最高的，如果中断服务子程 序使