（信号与信息处理专业论文）基于intel+pxa270平台wlan接入设计及实现.pdf

摘 要 i 基于基于 intel pxa270 平台平台 wlan 接入设计及实现接入设计及实现 作者简介：孙猛，男，1981 年 10 月生，师从成都理工大学李灿平副教授， 2009 年 06 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 嵌入式技术及其产品的快速成长是近年来全球 it 产业发展的一个显著特 征，嵌入式系统网络化、信息化的要求随着 internet 技术的成熟和带宽的提高日 益突出。作为有线联网方式的补充和延伸，无线局域网有效地将高速数据网络和 移动性的应用结合在一起。 为嵌入式系统集成无线局域网接入模块， 以满足用户对嵌入式终端设备网络 化、个性化的要求，成为了当前嵌入式系统设计及应用开发领域中的研究热点。 未来嵌入式终端设备也将是以高性能、 低功耗的硬件平台和基于独立操作系统的 软件平台与宽带无线网络有机结合的载体。 基于此研究背景， 论文从如何构建一个支撑基于嵌入式系统的无线局域网应 用研究开展的平台展开论述。 论文首先通过对无线局域网络系统构成、 拓扑结构及其所采用技术标准的分 析比较，以及对嵌入式处理器和嵌入式操作系统的全面分析，确定了本文所构建 的无线局域网接入平台是基于 ieee802.11b 和 windows ce 5.0 的。重点分析了 嵌入式操作系统 windows ce 5.0 的层次化结构、内存管理机制及其对 802.11 无 线局域网的支持。 其次，利用基于 intel xscale pxa270 处理器的嵌入式系统开发平台 pxa270ep 提供的丰富接口资源， 集成了基于 vt6656 和 802.11b 的 usb 接口无 线网卡模块，并扩展了鼠标、键盘输入模块等，完成系统硬件平台的搭建。 再次，深入研究了 bsp 构建的关键内容，包括移植 boot loader、开发 oal 和开发设备驱动程序等， 参照 windows ce 5.0 提供的 intel mainstone标准开发 平台的 bsp 代码，构建了系统硬件平台的 bsp。 接着，在集成开发环境 platform builder 中完成了嵌入式操作系统 windows ce 5.0 的内核定制、 编译和调试等几方面工作， 并移植了无线网卡模块驱动程序； 搭建了基于 windows ce 的嵌入式开发环境，成功移植 windows ce 5.0 操作系 统。 最后，对系统平台的 wlan 接入进行测试，测试的内容主要包括功能测试 和性能测试两方面。 成理工大学硕士学位论文 ii 经过测试，验证了本文的设计达到了预期研究目标，为开展基于嵌入式系统 的无线局域网应用研究打下良好基础。 关键词：无线局域网 嵌入式系统 windows ce pxa270 abstract iii design and implementation of wireless lan access based on pxa270 platform introduction of the author: sun meng, male, was born in october, 1981, whose tutor was associate professor li can-ping. he graduated from chengdu university of technology in signal and information processing major and was granted the master degree in june, 2009. abstract the high-speed growth of embedded technology and products was a marked feature of the global it industry in recent years, the requirements of informationization and networking of embedded systems are becoming more and more prominent with the maturity of internet technology and the improvement of bandwidth technology. as supplement and extension of wired network, the wireless lan combination of high-speed data networks and mobile applications effectively. to satisfy the requirement of the networking and personalization, embedded terminal equipment integrating wireless lan access functionality into embedded systems, which is the hot research topic of design, application and development.of embedded systems in the future, embedded terminal equipment will be a combination of the high-performance and low-power hardware platform, the software platform based on independent operating system, and the broadband wireless network. based on this research background, this paper discourses upon how to structure a platform which support of conducted the wireless lan application research based on embedded systems. firstly, this paper determine structure a hardware platform based on ieee802.11b and windows ce 5.0 through analyzing the component, the architecture and the technology standard of wireless lan, and the embedded processor and the embedded operating system. at the same time, this paper puts the emphasis on the analysis of windows ce 5.0s hierarchical structure, memory management mechanism and its support to the 802.11 wireless lan. secondly, this paper build a hardware platform which take advantage of embedded systems development platform pxa270eps rich interface resources to integration with a usb interface wireless network card module that based on vt6656 and 802.11b and expanded input module that include mouse and keyboard. 成理工大学硕士学位论文 iv thirdly, this paper made a deep study of key elements of bsp which include porting of boot loader, development of oal and development of device driver, and so on. referring to the bsp code of the standard development board of intel mainstonewhich provide by windows ce 5.0, and building a bsp of the hardware platform of system. finishing building, compiling and debugging of the kernel embedded operating system windows ce 5.0 in the integrated development environment platform builder, and porting of wireless network card module drivers. build an embedded development environment based on windows ce, and porting of operating system windows ce 5.0 successfully. finally, testing on wireless lan access of system paltform which including functional testing and performance testing. after testing, verify the design of the study is reach the expected objects, laying a good foundation in conducted the wireless lan application research based on embedded systems. keywords: wlan embedded system windows ce pxa270 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的人员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谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 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， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 引 言 1 第第 1 1 章章 引引 言言 1.1 课题课题的的提出及研究意义提出及研究意义 无线局域网是计算机网络和无线通信技术相互结合的产物， 它有效地将高速 数据网络和移动性的应用结合在一起， 使计算机或智能终端用户实现随时、 随地、 随意的网络接入，大大缩短了人们与网络资源之间的距离。 无线局域网所采用的技术标准主要有 ieee802.11 系列、欧洲的 hiperlan 系列、homerf、蓝牙、irda（红外）以及新近兴起的 uwb 等，它们分别适用 于不同的实际环境。hiperlan 标准在欧洲被广泛的支持和应用，homerf 则比 较适用于家庭中移动数据或语音设备之间的通信， 可以应用于任何以无线方式替 代线缆场合的蓝牙和 irda 是其它协议标准的有益补充，uwb 作为一种新兴的 无线传输技术，发展前景较为广阔1 、2。 而作为全球公认的局域网权威机构ieee802 工作组定义了全世界默认 的 ieee 802.11 系列无线局域网标准，它非常适用于校园网、企业网互联或者构 建内联网，是目前无线局域网领域的主流标准，应用最为广泛。ieee802.11 系列 标准是 wi-fi（wireless fidelity, 无线相容性认证）联盟的技术基础，该联盟旨在 认证基于 ieee802.11 系列标准的无线产品的互操作性，以确保不同无线产品间 的互通3。如今，wi-fi 被视为 ieee802.11 无线局域网的代名词。 嵌入式技术是计算机技术、电子技术和半导体技术等多种先进技术的融合。 近年来，嵌入式技术及其产品的快速成长成为了全球 it 产业发展的一个显著特 征。嵌入式系统定义为：一种以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软、硬 件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统4 、5。 目前，大多数的嵌入式系统还孤立于 internet 网络之外，随着信息化和数字 化时代的到来， 用户对嵌入式设备网络化的需求日益增多， 嵌入式系统与 internet 的结合亦代表着嵌入式技术的发展未来6。 全球知名的行业研究机构 in-stat 分析 师 jonathan gruber 表示，消费者已经越来越习惯于各项电子产品中内置 wi-fi 功能，也让各大消费电子厂商积极让 wi-fi 成为标准配置之一。据 in-stat 预计， 到 2011 年，内置 wi-fi 功能的消费电子产品出货量将会超越笔记本电脑。 因此，如何在嵌入式系统中集成无线局域网接入模块，以满足用户对嵌入式 终端设备网络化、个性化的要求，成为当前嵌入式系统设计及应用开发领域中的 研究热点，未来嵌入式终端设备也将是以高性能、低功耗的硬件平台和基于独立 操作系统的软件平台与宽带无线网络有机结合的载体。 成理工大学硕士学位论文 2 本课题正是在这样的研究背景下提出：在嵌入式系统开发平台上集成基于 ieee802.11b 标准的无线网卡模块，使平台具有无线局域网接入功能，以开展基 于嵌入式系统的无线局域网应用研究。比如，解决有关嵌入式设备的无线局域网 接入安全问题、提高服务质量 qos 问题，以及嵌入式设备间各种无线接入技术 的共存、相互干扰问题等等。 1.2 本文的本文的研究内容研究内容及组织结构及组织结构 本文通过对有关无线局域网和嵌入式系统设计及应用开发方面的文献进行 梳理、归纳，以及对当前主流嵌入式操作系统 windows ce、embedded linux 和 vxworks 进行分析、比较，结合嵌入式系统开发平台 pxa270-ep 的性能、接口 资源等特点，搭建了一个基于 intel xscale pxa270 处理器和 windows ce 5.0 的 802.11b 无线局域网接入平台，为开展基于嵌入式系统的无线局域网应用研究 打下良好基础。 根据所涉及的研究工作，论文内容主要包括以下几个章节： 第 1 章为引言，简要说明了课题的选题背景、研究意义和本文所涉及的研究 内容及组织结构； 第 2 章对无线局域网的定义、 构成和拓扑结构展开论述并分析比较了目前无 线局域网所采用的技术标准，引出在嵌入式系统开发平台上实现 802.11b 无线局 域网接入这个研究课题。 ； 第 3 章对嵌入式系统的定义、 特点、 结构和发展趋势进行了较为全面的概述， 对嵌入式操作系统 windows ce 的特点及开发工具 platform builder 进行了介绍， 最后重点分析了 windows ce 5.0 的层次化结构、内存管理机制及其对 802.11 无 线局域网的支持； 第4章结合嵌入式处理器intel xscale pxa270的结构和嵌入式系统开发平 台 pxa270-ep 的性能、 接口资源等特点搭建了实现无线局域网接入的硬件平台； 第 5 章深入研究了 bsp 构建的关键内容，包括 boot loader 的移植、oal 开发和设备驱动程序开发等，并参照 intel 的 mainstone标准开发平台的 bsp 代码构建了系统硬件平台的 bsp，为移植操作系统做好充分准备； 第 6 章移植实现了 windows ce 5.0 操作系统及无线网卡模块驱动程序，并 最终实现系统平台的 802.11b 无线局域网接入， 经测试， 达到了预期的研究目标。 第 2 章 无线局域网相关介绍 3 第第 2 2 章章 无线局域网无线局域网相关相关介绍介绍 2.1 无线局域网定义无线局域网定义 作为有线联网方式的重要补充和延伸，无线局域网（wireless local area networks , wlan）是指采用无线射频技术将计算机设备或其它智能终端连接起 来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。 2.2 无线局域网的系统构成无线局域网的系统构成 无线局域网的系统结构如图 2-1 所示，它主要由无线工作站（sta, station） 、 无线接入点 （ap, access point） 或基站 （bs, base station） 和分布式系统组成 （ds, distribution system）等几部分组成7。 广域网 bs/ap 1 无线工作站无线工作站 分布式系统 bs/ap 2 bss bss ess 至其它802.x 局域网 图图 2-1 无线局域网的系统结构 1.无线工作站 无线工作站也称终端，它是具有无线网络接口的计算机或智能设备，是无线 局域网中的最基本组成单元。 在无线局域网中，无线工作站之间可以相互直接通信，也可以通过无线接入 点或基站进行通信。一个无线接入点或基站和与其关联的无线工作站，称为一个 基本服务集 （bss, basic service set） ， 两个或者多个基本服务集 bss 可构成一个 扩展服务集（ess，extended service set）8。 成理工大学硕士学位论文 4 2.无线接入点 无线接入点是移动计算网络中的重要设备，是无线局域网的重要组成单元。 它是一个特殊的无线工作站，通常处于基本服务集的中心，位置固定不动。 无线接入点的基本功能包括：作为接入点，其主要完成其它非接入点的无线 工作站对分布式系统的接入访问和同一基本服务集中的不同无线工作站间的通 信联络；作为无线网络和分布式系统的桥接点，其主要完成无线局域网与分布式 系统间的桥接功能；作为基本服务集的控制中心，其主要完成对其它非接入点的 无线工作站的控制和管理。 3.分布式系统 为了能使无线局域网络覆盖更大的区域， 就需要把多个基本服务集通过分布 式系统连接起来，形成一个扩展服务集。分布式系统就是用来连接不同基本服务 集的通信通道，称为分布式系统信道（dsm, distribution system medium） 。分布 式系统信道可以是有线信道，也可以是频段多变的无线信道。这样在组织无线局 域网时就有了足够的灵活性。 2.3 无线局域网的拓扑结构无线局域网的拓扑结构 无线局域网的拓扑结构可以归结为两类，即网状拓扑和星形拓扑9。 1.网状拓扑 网状拓扑结构是一种无中心的对等网络或称为自组织网络（ad hoc mode） ， 它要求网络中的任意两个无线工作站均可以直接通信。 网状拓扑结构的无线局域 网主要用于个人设备互联、紧急救援活动和野外探测等，它的模型如下图 2-2 所 示。 台式机 便携电脑 智能手机 嵌入式智能终端 图图 2-2 网状拓扑的无线局域网 第 2 章 无线局域网相关介绍 5 2.星形拓扑 星形拓扑是一种有中心的结构化网络，也称为基础结构模式（infrastructure mode） 。它包含一个或多个通信用的中央计算机或者是接入点和一系列的无线工 作站，是目前应用最为广泛的无线局域网架构。 如果 ap 没有连接到有线网络，则这样的局域网称为独立型无线局域网，如 图 2-3 所示。独立型无线局域网适合范围比较小的情况，这是由于无线传输的距 离有限。 无线接入点ap 台式机 便携电脑 智能手机 嵌入式智能终端 图图 2-3 独立型无线局域网 如果 ap 连接了有线网络，则这样的局域网称为非独立型无线局域网，如图 2-4 所示。非独立无线局域网可以使无线联网的用户充分共享有线网络中的各种 资源。 服务器 台式机 有线网 无线接入点ap 台式机 便携电脑 智能手机 嵌入式智能终端 图图 2-4 非独立型无线局域网 成理工大学硕士学位论文 6 2.4 无线局域网技术标准无线局域网技术标准 2.4.1 各种标准的比较 无线局域网所采用的技术标准主要包括： ieee802.11 系列、 欧洲的 hiperlan 系列、homerf、蓝牙、irda 以及新近兴起的 uwb 等，它们分别适用于不同的 实际环境。表 2-1 给出了上述无线局域网技术标准之间的比较。 表表 2-1 无线局域网技术标准比较 协议标准 射频频段 最高传输率 (物理层) 备 注 蓝牙 (bluetooth) 2.42.485ghz 2.1+edr： 3mbps 实现语音和数据无线传输的开放性规 范，可方便快捷地实现各类数据及语 音设备之间的通信 红外 (irda) 红外线 16mbps 相应软、硬件技术比较成熟；体积小、 功率低、抗干扰性强；不适合障碍较 多的地方及多个设备之间的数据传 输；传输距离一般在 2m 左右 家用射频 (homerf) 2.42.485ghz homerf2.x： 10mbps 主要针对家庭网络而设计；在数据传 输时，采用 ieee802.11 标准中的 tcp/ip 传输协议，语音通信时则采用 无绳电话 dect 技术；过于局限家庭 应用，前景不明 hiperlan hiperlan1： 5.3ghz hiperlan2： 5ghz hiperlan1： 23.5mbps hiperlan2： 54 mbps 在欧洲被广泛支持和应用，主要是为 集团消费者、公共和家庭环境提供无 线接入和实时视频服务；hiperlan/1 主要采用高斯滤波最小频移键控 gmsk 调制方式， hiperlan/2 采用 正交频分复用（ofdm）调制方式 超宽带 (uwb) 3.110.6 ghz 600 mbps 新兴的无线局域网技术，非常适合传 输多媒体及其它的高带宽应用；目前 主要应用于短程、高分辨率、高带宽 的雷达和成像系统；初期产品传输距 离约 10 米，数据速率接近 100mbps ieee802.11 系列 802.11： irda或2.4ghz 802.11a：5ghz 802.11b/g： 2.42.485ghz 802.11n： 2.4ghz、5ghz 802.11：2mbps 802.11a：54mbps 802.11b：11mbps 802.11g：54mbps 802.11n： 300mbps 由 ieee802 工作组定义的无线局域网 主流标准，应用最为广泛 总的来讲， ieee802.11 系列标准较适用于校园网、 企业网互联或者构建内联 网，是目前无线局域网领域的主流标准，应用最为广泛，而 homerf 较适用于 家庭中移动数据或语音设备之间的通信，hiperlan 标准则在欧洲被广泛支持和 第 2 章 无线局域网相关介绍 7 应用，可以应用于任何以无线方式替代线缆场合的蓝牙和 irda 是其它协议标准 的有益补充，uwb 作为一种新兴的无线传输技术，发展前景较为广阔。 2.4.2 ieee802.11 系列标准 作为全球公认的局域网权威机构ieee802 工作组定义了全世界默认的 无线局域网标准 ieee 802.11 系列。 1.ieee802.11 ieee802.11 是 ieee 在 1997 年 6 月为无线局域网定义第一个工业标准，该 标准定义物理层和媒体访问控制（mac）层的协议规范，允许无线局域网及无 线设备制造商建立互操作网络设备。 ieee802.11 在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法， 主要定义两种 射频（rf）传输方式和一种红外线传输方式。rf 传输方式采用直接序列扩频技 术 （dsss） 和跳频扩频技术 （fhss） ， 工作在 2.4ghz ism 频段 （industrial scientific medical band, 2.42.4835ghz, 此频段主要是开放给工业、科学、医学三个机构 使用） 。dsss 采用双相移相键控（bpsk）和差分正交移相键控（dqpsk）调制 方式，支持 1mbps 和 2mbps 的数据速率；fhss 采用 24 电平高斯频移键控 （gfsk）调制方式，支持 1mbps 数据速率。红外线传输方式工作在 850950nm 段，峰值功率为 2w，支持数据速率为 1mbps 和 2mbps。媒体访问控制（mac） 层使用 csma/ca（载波监听多路访问/冲突避免）协议。csma/ca 采用能量检 测（ed） 、载波检测（cs）和能量载波混合检测 3 种检测信道空闲方式，使用信 道空闲评估（cca）算法来决定信道是否空闲10。 2.ieee802.11b ieee802.11b 是 ieee802.11 的扩展标准，它对 ieee802.11 标准进行了修改 和补充，只影响了 ieee802.11 标准的物理层，增加了数据传输速率（采用了补 码键控 cck 调制技术）和连接性的健全，而基本结构、特性和服务仍然由 ieee802.11 标准定义。ieee802.11b 标准的覆盖范围为室外 300m、办公环境最 高 100 米，物理层最大数据传输速率为 11mbps，当射频情况变差时，数据传输 速率降低为 5.5mbps、2mbps 和 1mbps。 3.ieee802.11a ieee802.11b 的后续标准，采用 ofdm（正交频分复用）扩频技术，工作在 5ghz u-nii（unlicensed national information infrastructure）频段，物理层速率可 达 54 mbps； 可提供 25mbps 的无线 atm 接口和 10mbps 的以太网无线帧结构接 口，以及 tdd/pdma 的空中接口；支持语音、数据、图像业务。 成理工大学硕士学位论文 8 4.ieee802.11g ieee802.11g在2.4ghz频段使用正交频分复用调制技术实现了54 mbps的数 据传输率，并且能够与 ieee802.11b 共存于同一 ap 的网络中，保障了后向兼容 性。 5.ieee802.11n 草案 ieee 于 2007 年确定 802.11n 2.0 草案，截止目前，ieee 还没有发布正式标 准。它采用将多入多出（mimo）与正交频分复用技术相结合而应用的 mimo-ofdm 技术，使得 wlan 传输速率提升至 300mbps，也提高了无线传输 质量。在覆盖范围方面，ieee 802.11n 采用智能天线技术，通过多组独立天线组 成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让 wlan 用户接收到稳定的信号，并 减少了其它信号的干扰，因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使 wlan 移动性极大提高。在兼容性方面，ieee 802.11n 采用了一种软件无线电技术，它 是一个完全可编程的硬件平台， 使不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的 不同软件实现互通和兼容， 这使得wlan的兼容性得到极大改善， 也意味着ieee 802.11n 可以实现 wlan 与无线广域网络的结合，比如 3g 网络。 ieee802.11 系列标准是 wi-fi（wireless fidelity, 无线相容性认证）联盟的 技术基础。1996 年，网络通讯设备生产商 lucent 率先发起成立无线以太兼容联 盟（weca , wireless ethernet compatibility alliance） ，并于 1999 年更名为 wi-fi 联盟，旨在认证基于 ieee802.11 系列标准的无线产品的互操作性，以确保不同 无线产品（如 pcmcia 无线网卡、usb 无线模块等）间的互通。如今，wi-fi 被视为 ieee802.11 无线局域网的代名词。 本章小结本章小结 本章节系统地概述了无线局域网的系统构成、 无线局域网的拓扑结构以及无 线局域网目前常采用的技术标准。以此为切入点，引出在嵌入式系统开发平台上 实现无线局域网接入这个研究课题。 第 3 章 嵌入式操作系统 windows ce 9 第第 3 3 章章 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 windows cewindows ce 3.1 嵌入式系统嵌入式系统概述概述 近年来，嵌入式技术及其产品的快速成长成为了全球 it 产业发展的一个显 著特征。嵌入式技术是计算机技术、电子技术和半导体技术等多种先进技术的融 合，已被广泛应用到工业控制、信息通信、智能家电、消费电子产品、医疗和军 事等领域中。 3.1.1 嵌入式系统定义及特点 电气电子工程师协会把嵌入式系统定义为：an embedded system is the devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plants （嵌入式系统是一种用于控制、 监视或辅助设备、 机器或车间运行的装置） 。 在国内，一个被普遍认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机 技术为基础，并且软、硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 简而言之，嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。 嵌入式系统具有以下三个最基本的特点11： (1)嵌入性：由于嵌入到对象系统（嵌入式系统所嵌入的宿主系统）中，因 此必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（精简） 、电气环境（可靠） 、成本 （低廉）等要求； (2)专用性：是指在满足对象控制要求及环境要求下的软、硬件裁剪性。嵌 入式系统的软、硬件配置必须依据嵌入对象的要求，设计成专用的嵌入式应用系 统； (3)计算机系统：必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上述两 个特点相呼应，这样的计算机必须配置与对象系统的相适应的接口电路。 3.1.2 嵌入式系统的结构 嵌入式系统是软件和硬件的综合体， 它一般由嵌入式处理器、 外围硬件设备、 嵌入式操作系统及嵌入式应用软件 4 个部分组成，用于实现对其它设备的控制、 监视或管理功能。嵌入式系统的体系结构如图 3-1 所示。 成理工大学硕士学位论文 10 嵌入式处理器外围硬件设备 嵌入式硬件平台 嵌入式操作系统 (可选) 嵌入式应用软件 图图 3-1 嵌入式系统的体系结构 1.嵌入式处理器 从硬件上来看， 一个嵌入式系统可分为： 处理器、 存储系统、 输入输出设备、 网络与通信模块。 嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，它的种类繁多，完全不同 的体系结构就有几十种，其相关的品种数量已经超过千种。 通常可以将嵌入式处理器分为四类，即微处理器（microprocessor） 、微控制 器 （microcontroller） 、 数字信号处理器 （digital signal processor） 和片上系统 soc （system on a chip） 。无论那种类型嵌入式处理器，归纳起来，一般具有以下几 个特点12： (1)对实时操作系统具有很强的支持能力； (2)能够实现多任务，并且具有较短的中断响应时间； (3)具有功能很强的存储区保护功能，由于嵌入式系统的软件结构一般为模 块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉，需要设计强大的存储区保护功 能； (4)低功耗，尤其对于便携式的无线设备、移动计算和通信设备等，功耗要 求在 mw 级甚至 w 级。 2.嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心，是连接嵌入式设备和应用的重要部 件。它的功能主要包括：向上提供应用程序编程接口（api） ，向下屏蔽具体的硬 件特性、合理调度系统硬件资源。另外，嵌入式操作系统在嵌入式系统中不是必 需的，在没有嵌入式操作系统的系统中，系统的应用软件要直接面向系统硬件进 行应用程序的开发。 与通用操作系统相比，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖 性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 比较常见的嵌入式操作系统主要有：windows ce、windows xp embedded、 embedded linux、vxworks、symbian os 和 palm os 等，如表 3-1 所示。 第 3 章 嵌入式操作系统 windows ce 11 表表 3-1 常见的嵌入式操作系统 操作系统名称 开发商 说 明 典型应用领域 windows ce microsoft 微软为嵌入式智能设备精心打造的实 时、多任务和模块化的操作系统 工业控制、智能家电 和消费电子产品等 windows xp embedded microsoft 桌面 windows xp 的嵌入式版本，可剪 裁 工业控制和 atm 等 有交流电源的环境 embedded linux 开源操作系统的嵌入式版本，价格低 廉、功能强大 工业控制、消费电子 产品等 vxworks windriver 广泛应用在对实时性、稳定性和可靠性 要求比较高的领域 工业控制、 航空航天、 军事等 symbian os symbian 由诺基亚、索尼爱立信、摩托罗拉等共 同出资，为具有数据功能的手机提供先 进的、开放的、标准化的操作系统 智能手机 palm os 3com 具有开放的操作系统应用程序接口 （api） ，开发商可根据需要自行开发所 需的应用程序 消费电子产品 3.1.3 嵌入式系统的发展 嵌入式系统发展至今已有 30 多年的历史， 大致可以分为下列 3 个发展阶段： 1.早期 以单晶片为核心的系统，大部分应用于一些简单的控制系统中，一般具有检 测、伺服及控制功能。这种嵌入式系统通常没有操作系统的支持，只能通过汇编 语言执行系统的功能。其特点是系统结构和功能简单，且价格低廉，适合大量生 产。 2.第二阶段 以嵌入式处理器为基础、嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，具有高度的 模块化和扩展性。嵌入式操作系统具备实时、多任务、文件和目录管理、设备管 理和网络及图形用户界面（gui）等功能，并提供了大量的应用程序接口（api） ， 使应用软件的开发变得简单。 3.面向 internet 阶段 目前大多数嵌入式系统还孤立于 internet 之外，随着 internet 技术与信息家 电、 工业控制技术等的结合日益密切， 嵌入式设备的网络互联成为必然发展趋势。 未来嵌入式智能设备将是以高性能、低功耗的硬件平台、基于独立操作系统的软 件平台和宽带无线网络有机结合的载体。 成理工大学硕士学位论文 12 3.2 windows ce 概述概述 windows ce 是微软针对嵌入式智能设备推出的一款实时、多任务和模块化 的嵌入式操作系统，被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发。普遍认为，ce 中 的 c 代表了消费者（consumer） 、袖珍（compact） 、通信能力（connectivity）和 伴侣（companion） ；而 e 代表了电子产品（electronics） 。应用于 pda、智能手 机的操作系统微软称之为 windows mobile，它是 widows ce 的一个分支；应用 于机顶盒、voip 电话、pos 等的操作系统则维持 windows ce 的名称13 、14。 3.2.1 windows ce 的特点 windows ce 作为一款功能强大的嵌入式操作系统，它所具有的特点可概括 如下： 1.精简的模块化操作系统 用户可以为了满足特定的要求而对操作系统进行定制。 2.支持多种硬件平台 windows ce 支持 arm（包括 strongarm、xscale、freescale 等） 、x86、 mips、sh4 等架构微处理器。 3.支持有线和无线的网络连接 windows ce 不但支持传统的有线网络连接，还支持各种无线网络标准，包 括蓝牙、红外及 802.11 等。 4.稳健的实时性支持 windows ce 是一个实时操作系统，实时支持功能在以下几个方面提升了 windows ce 的性能：一、支持嵌套中断；二、允许更高优先级别的中断首先得 到响应；三、更好的线程响应能力；四、对高级别中断服务线程的响应时间上限 的要求更加严格；五、多达 256 个优先级别。 5.丰富的多媒体和多语言支持 基于 directx api 和 windows media 的技术可以提供高性能的视频、音频、 流式多媒体和 3d 图形处理服务，这些功能可以满足大部分的多媒体娱乐和游戏 的需求；同时，windows ce 提供对多种语言的本地化支持。 6.强大的开发工具支持 windows ce 提供了友好的开发工具支持，可以简化开发流程并提高开发效 率。若开发应用程序，可选择的开发工具有 embedded visual c+和 visual studio.net；若定制操作系统，则可以选择 platform builder，platform builder 是 一个集成操作系统的“构建调试发布”三者为一体的集成开发环境。 第 3 章 嵌入式操作系统 windows ce 13 3.2.2 windows ce 开发工具 platform builder platform builder是用于创建基于windows ce的嵌入式操作系统设计的一个 集成开发环境 （ide） ， 它集成了进行设计、 产生、 构建、 测试和调试 windows ce 操作系统设计所需要的所有开发工具。 platform builder 运行在桌面 windows 下，开发人员可以通过交互式的环境 来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。 platform builder 提供的主要开发特性概括如下： (1)平台开发向导（platform wizard）和 bsp 开发向导（bsp wizard） 。引导 开发者去创建一个简单的系统平台或 bsp，然后再根据要求作进一步的修改，大 大提高平台和 bsp 创建的效率。 (2)基础配置。为各种流行的设备类别预置的可操作系统基础平台，为自定 义操作系统的创建提供了一个起点。 开发者可以容易地定制并编译出一个具备最 基本功能的操作系统，然后再在其上做后续的修改。 (3)特性目录（catalog） 。操作系统可选特性均在特性目录中列出，开发者可 以选择相应的特性来定制操作系统。 (4)测试工具包（windows ce test kit） 。为驱动程序开发提供了基本的测试 工具集。 (5)内核调试器。可以对自定义的操作系统映像进行调试，并且向用户提供 有关映像性能的信息。 (6)导出向导 （export wizard） 。 可向其他 platform builder 用户导出自定义的 目录特性。 (7)导出 sdk 向导（export sdk wizard） 。使用户可以导出一个自定义的软 件开发工具包（sdk） ，即可以将客户定制的 sdk 导出到特定的开发环境中，如 evc。 (8)远程工具。可执行同基于 windows ce 目标设备上的各种调试和信息收 集任务。 (9)仿真器（emulator） 。通过硬件仿真加速并简化了系统的开发，使用户可 以在开发工作站上对平台和应用程序进行测试，大大简化系统开发流程，缩短开 发周期。 (10)应用程序调试器。可以在自定义的操作系统映像上对应用程序进行调 试。 (11)提供了对.net 平台精简框架的支持。 platform builder 的开发页面如图 3-2 所示。 成理工大学硕士学位论文 14 工 作 区 特 性 目 录 区 输出信息窗口 状态栏 菜单栏 工具栏 文本编辑区 图图 3-2 platform builder 的开发页面 3.2.3 windows ce 与其它主流嵌入操作系统的比较 1.windows ce 与 embedded linux 的比较 embedded linux 是将日益流行的 linux 操作系统进行裁剪修改， 使之能在嵌 入式系统上运行的一种操作系统，占据了嵌入式操作系统最大的市场份额。 与 windows ce 相比，embedded linux 的优点包括以下几方面： (1)开放性，embedded linux 继承了 internet 上源代码资源，100%源代码公 开； (2)广泛性和成功的开发模式，embedded linux 全球化的社区开发和维护方 式是一种高效率和成功的软件开发模式； (3)对各种嵌入式处理器、外部设备的支持能力，embedded linux 支持几乎 所有的主流芯片，并且还在不断的被移植到新的芯片上； (4)所具备的丰富的开源资源和第三方应用软件。 相对于 windows ce，embedded linux 存在的缺点包括： (1)实时性。embedded linux 从操作系统系统结构设计偏重于可靠性和网络 的效率，实时性方面不如 windows ce； (2)开发工具支持。linux 的开发工具一直是一个软肋，而 windows ce 则提 供了友好的开发工具支持，可简化开发流程并提高开发效率；