（测试计量技术及仪器专业论文）基于gsm网络的嵌入式分布测控系统.pdf

浙扫一大学硕十学位论文摘要 摘要 随着i n t e m e t 的发展和后计算机时代的到来，嵌入式系统成为当前i t 产业的焦 点之一，呈现了巨大的市场需求。越来越多的嵌入式产品开发在基于网络、无线通 信的基础上进行着，特别是在工业控制、道路交通控制、环保监控等领域上。本论 文介绍了用于智能通信领域中基于6 s m 网络进行远程通信的嵌入式分布测控系统的 设计与研究，并结合课题研究的实际工作对嵌入式分布测控系统软件开发的各个方 面作了详细的削述。 论文从简述嵌入式计算系统、短信息网络技术开始，给出了本课题研究工作的 意义和目标。从软硬件两方面详细介绍了本课题研究工作中所采用的嵌入式平台系 统设计方案。该系统采用三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器硬件平台和g s m 通信模块，使用嵌入式w i n d o wc e 作为操作系统，运用e m b e d d e dv i s u a lc + + 进行 软件开发调试工作。整套系统从功能上看，可以作为远程工作现场的控制中心或者 报告平台，同时嵌入式操作平台w i n d o w sc e 的引入又为整套分布测控系统的实时能 力提供了有力的保障。 在后续的章节中，深入分析软硬件系统的主要架构，非常详尽的内核配置、编 译以及移植过程。对内核的分析平u 理解不仅是本文的一部分重要内容，也为之后在 其上开发高效的软件打下坚实的基础。基于g s m 网络的嵌入式分布测控系统软件 设计是本文的主要工作。文中详细讨论了几种模式的短信息格式和短信息软件编解 码的设计和实现过程，为实际系统中由传统的人工参与的控制过程实现真正的自动 化给出了可行性支持。文章最后给出了整套系统的优点、不足以及软件需要完善的 方向。 关键词：a r mg s m 模块s m s 嵌入式测控系统 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dp c - a f t e rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m ， c e n t e ro fi n t e r e s ti nt h er i s i n gr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，h a sb e e nah u g er e q u i r e m e n to f m a r k e t m o r ea n dm o r e e m b e d d e dp r o d u c t sh a v eb e e nd e v e l o p e db a s e do nn e t w o r k ，r a d i o c o m m u n i c a t i o ne n c o d i n ge s p e c i a l l yi nf i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，r o a d w a yt r a f f i cc o n t r o l a n de n v i r o n m e n t a ls u r v e i l l a n c e t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hi s d e f i g n e df o rt h et e c h n o o g yo fi n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do ng s m n e t w o r kt oc o n t r o lt h er e m o t ef i e l d i tc o v e r st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nt h ee m b e d d e d s y s t e m s t h i st h e s i sb e g i n sw i t ht h ec o n c e p t so fe m b e d d e dc o m p u t i n gs y s t e ma n ds m s n e t w o r kt e c h n o l o g yt os h o wu st h es i g n i f i c a n c eo fo u rw o r k t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e m i sb a s e do ni n t e ls a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0a n dt h eo p e r a t i o ns y s t e mi sw i n d o w sc e n e t w e c o d ew i t ht h es o f t w a r et o o le m b e d d e dv i s u a lc + + i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ，i tp r e s e n t st h ef r a m e w o r ko fw i n d o w sc e n e t ，t h e t r a n s p l a n ta n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ee m b e d d e dk e r n e l ，t h ef i l es y s t e ma n dt h en e t w o r k i nt h ea r mp l a t f o r m t h ep r i m a r yw o r ko ft h i st h e s i si st h ee m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tb a s e do nt h es m s h e r ew ed e s c r i b es e v e r a lm o d e so fr a d i oc o m m u n i c a t i o n ， i n c l u d i n gt h ep r o c e s so fc o d i n ga n dd e c o d i n g t h ec o n c l u s i o no fo u rw o r ks h o w st h e f e a s i b i l i t yo fu s i n gr o b o f i c i z e dd e v i c e sw i t h o u tp e o p l e sp a r t i c i p a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o n t h ee x c e l l e n c ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e di nt h el a s t w ea l s o d i s c u s st h ea m e l i o r a t i o nn e e dt ob ed o n eo ft h es o f t w a r e k e yw o r d s ：a r m ，g s mm o d e m ，s m s ，e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i 】 浙江大学硕士毕位论文 第审站沧 1 1 课题背景 第一章绪论 嵌入式系统是继r r 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统 具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经 广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域脚i 。随着计算 机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的实际意义。 同时，在移动通信技术蓬勃发展的基础上，嵌入式设备与g s m 网络相结合的无线通讯 系统将得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视。 g s m 是g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 的缩写。意思是全球移动通信 系统。g s m 网络在全国范围内可以实现联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户 无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节数量也没有限制，克服了 传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量 有限的缺陷【“。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，同时 s m s 短信息服务作为g s m 网络的一种基本业务已得到得到迅速的普及与发展。 s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 短信息服务是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 系统中提供的一种g s m 终端( 手机) 之间，通过服务中t = - , ( s e r v i c e c e n t e r l j 挂行文本信息收发的应用服务【2 ”，其中服务中心完成信息的存储和转发功 能。利用g s m 短信息系统进行无线通信具有双向数据传输功能，性能稳定，为远 程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台，短信息服务作为g s m 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这 种业务的各种应用也蓬勃发展起来。以g s m 网络作为数据无线传输网络，可以开 发出多种前景极其乐观的各类应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制 等。典型的应用有：变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传 输和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、加热系统、防洪拦阻系统或其 它机电系统的启动和关闭；车队交通符理和控制指挥系统；控制和监测香烟、食品 和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等等。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 发展分布式测控系统的意义 随着无线数据业务的快速发展，我们把许多从来没有的应用从理想变成了现实， 如车辆导航、远程监控等，越来越多的设备开始要求具备无线通讯能力。g s m - m o d e m 无线通讯模块便是在这种背景下诞生的，应用开发商通过它使自己的设备增添无线 通讯能力，从而开发出各种各样的应用。该模块采用发展最成功的无线通讯技术， 能提供短消息，话音通讯和数据通讯三大功能。其中，短消息业务将使该无线通讯 模块获得最广泛的应用，所以有时也将该无线通讯模块简称为g s m 短消息模块。g s m 短消息具有随时在线( a l w a y so n l i n e ) 、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等特点， 特别适合于需传送小流量数据的应用，如车辆调度安全导航、监控监测等领域。 以往这些领域往往采用集群通讯、c d p d 网或有线m o d e m 来进行通讯，但这些技术大 多存在通讯范围有限，费用高，每次通讯需先拨号等缺点。例如在车辆调度中，车 载终端上往往带有g p s 卫星定位模块，每隔几分中就需把g p s 模块的位置信息传送 到调度中心去，如果采用拨号的方式，则每隔几分中就需打一次电话，费用高，而 采用g s m m o d e m 无线通讯模块后，则可以利用随时在线的短消息业务，通过无处不 在的g s m 公网将信息传送到调度中心，调度员也可将调度任务随时下发到车载终端 上。同时，驾驶员还能通过通讯模块的话音通讯功能与调度中心进行话音联系。而 且还能通过它的数据通讯功能下载地方的地图，为行车提供指导。 g s m 无线通 信控制终端 g s m 无线通i 信控制终端i 。叫g s m 网络 g s m 无线通 信控制终端 g s m 通信机 无线数传监控中心 通信控制计 算机 数据ii 大屏 库 li 幕显 示 图1 1 无线数传监视和控制系统示意图 j 1 2 控汁 算帆 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 通常情况，基于s m s 短信息服务的无线数据传输监视和控制系统1 1 7 l 为一个点 到多点的远程无线双向数据通信和控制系统，如图1 1 所示。系统的中一i i , 点为数据 或监控指挥中心，由计算视网络、数据库、电子地图和g s m 通信接口组成。监控 中心主要完成各种信息和数据的收发和整理：一方面，接收各个监控点上传的信息 和数据，并把它们放入相应的数据库和分发给相应的监控计算机，以实现对各个监 控点的监控和管理；另一个方面，监控中心响应监控计算机发出的对各个监控点的 控制信息，并且把这些信息下发到相应的监控点上，从而达到对监控点设备进行控 制的目的。 目前针对分布式测控系统的应用主要集中在p c 和g s m 模块的组合上。虽然嵌入 式m o d e m 现在已经开始发展，但相应的配套软件却基本上是一片空白，特别针对于 w i n d o w sc e 操作系统下的软件开发更是少之又少。采用嵌入式模块代替传统的p c 机将会是未来无线数据传输领域的热门话题。嵌入式系统的低功耗、高效率、高可 靠性、高性能价格比和强大的实时性功能都为嵌入式分布测控系统带来广阔的发展 前景和强大的生命力。他可以将传统的人工参与的控制过程实现真正的自动化，减 少控制人员的工作量，实现了监控业务的高度集成化，相比于人为因素的干扰，在 实时性和准确性方面都有了极大的提高。 1 。3 本课题主要研究任务 本研究的主要研究目标是将基于g s b i 网络的短信息通信技术与嵌入式系统相结 合，构建一个具有实用价值和广泛适用性的嵌入式分布测控系统。主要课题任务包 括嵌入式系统内核的深入研究，结合g s m 网络通信原理设计基于g s m 网络的嵌八式 分布测控系统，构建以a r m 嵌入式核心模块为基础的硬件平台，并开发出具有实际 应用价值的嵌入式系统软件。具体来说包括： 1 )总体方案设计。针对硬件平台对内核代码进行修改，以支持处理器移植以 及各种设备驱动接口。 2 )以a r m 嵌入式核心模块为基础的硬件平台设计。充分利用硬件，在资源受 隈系统中对内核大小进行有效裁剪。使之能完全发挥本通信系统的优势。 浙江大学硕十学位论文 第章绪浩 3 ) w i n d o w sc e 嵌入式操作系统移植、实现通过g s m 网络利用s m s 进行通信的 嵌入式软件设计。根据所选择的操作系统，采用相应的软件开发工具，编写高 效、简洁、功能强大的软件来实现嵌入式系统与移动网的短消息通信。 4 ) 完成嵌入式分布测控系统的实际应用的功能实现。给出实验结果，并分析系统 不足和发展方向。 嵌入式通信系统涉及硬件和软件两个部分，且两部分紧密相关，相辅相成，很 难分割。硬件体系结构直接制约着软件系统的配置与应用，软件系统又要尽可能的 发挥出硬件体系的特点。在软件设计过程中，首先分析系统需要实现的任务，根据 任务划分使用的模块，再通过高级语言实现各个高层模块，并通过开发环境实现目 标代码。在测控软件的开发中，需要对软件系统开发环境有较深的理解，能够设计 出满足硬件平台要求的高效程序。本人的主要工作是负责本测控系统的总体设计、 嵌入式系统配置、移植以及相关软件的开发和调试等工作。 浙江走学砸+ 学位论立 第二章系统心体设十盯寨 第二章系统总体设计方案 2 1 系统需求 在一个系统设计之前，我们必须清楚知道自己在设计什么。在设计的开始阶段， 我们需要这些信息来设计系统的体系结构和构件。一般来说，嵌八式系统开发涉及 到的软硬件概念非常多。甚至可以这样说它的复杂程度不亚于p c 。商业化的嵌入 式系统将会裁剪掉多余的不必要功能，以降低成本，提高稳定性。在本课题研究的 实际开发过程中，我们不仅需要结合市场、客户和行业的实际功能性需求和非功能 性需求而且要依据课题快速方便开发的实际需要，来制定嵌入式总体硬讲方案。 2 1 1 功能性需求 1 ) 远程监控和分布式测量。系统带有叫拆卸的g s m 无线接入模块，支持监控中心 对分布于目标区域中的工作现场进行远程控制和数据的分布式测量。 2 )用户命令和数据的输入。要求系统的响应时间足够快，便于t 作人员的操作。 3 ) 数据处理。将通过g s m 模块获取的数据经过算法处理后可显示输出，并能分析 已得数据从而对工作现场进行及时的调整控制。 4 ) 按键输入。包括系统肩动、复位、和关闭按键。具有快速启动、出错处理和自 动复位功能。 2 1 2 非功能性需求 1 ) 功耗低，且稳定性高，需2 4 小时不间断运行。 2 )系统物理尺寸小，便于携带，安装简易，稳定性高。 3 )系统功能完各，模块化设计，稍作修改后即可适用于不同行业与用者的需求。 4 ) 有效使用低成本设备，寻求在低成本条件下实现高效率。 2 2 系统总体结构 g s m 无线通信控制终端的通信接口一般采用目前在市场上提供的可供二次开 g s m 无线通信控制终端的通信接口一股采用h 前在市场上提供的可供二次开 浙江大学硕士学位论文 第一二章系统总体设汁方案 第二章系统总体设计方案 2 1 系统需求 在一个系统设计之前，我们必须清楚知道自己在设计什么。在设计的开始阶段， 我们需要这些信息来设计系统的体系结构和构件。一般来说，嵌入式系统开发涉及 到的软硬件概念非常多。甚至可以这样说，它的复杂程度不亚于p c 。商业化的嵌入 式系统将会裁剪掉多余的不必要功能，以降低成本，提高稳定性。在本课题研究的 实际开发过程中，我们不仅需要结合市场、客户和行业的实际功能性需求和非功能 性需求，而且要依据课题快速方便开发的实际需要，来制定嵌入式总体设计方案。 2 1 1 功能性需求 1 )远程监控和分布式测量。系统带有可拆卸的g s m 无线接入模块，支持监控中心 对分布于目标区域中的工作现场进行远程控制和数据的分布式测量。 2 ) 用户命令和数据的输入。要求系统的响应时间足够快，便于工作人员的操作。 3 ) 数据处理。将通过g s m 模块获取的数据经过算法处理后可显示输出，并能分析 已得数据从而对工作现场进行及时的调整控制。 4 ) 按键输入。包括系统启动、复位、和关闭按键。具有快速启动、出错处理和自 动复位功能。 2 1 2 非功能性需求 1 ) 功耗低，且稳定性高，需2 4 小时不间断运行。 2 )系统物理尺寸小，便于携带，安装简易，稳定性高。 3 )系统功能完备，模块化设计，稍作修改后即可适用于不同行业与用者的需求。 4 ) 有效使用低成本设备，寻求在低成本条件下实现高效率。 2 2 系统总体结构 g s m 无线通信控制终端的通信接口一般采用目前在市场上提供的可供二次开 浙江人学硕十学位论文 第璋系统总体设汁方案 发的标准的g s m 模块，如t c 3 5 、f a l c o m 、w i s m 0 3 等。这些通信模块都具备 g s m 无线通信的全部功能，并提供标准的u a r t 串行接口，支持g s m0 7 0 5 所定 义的a t 命令集的指令。因此，m c u 能非常方便地通过u a r t 接口与g s m 模块连 接，并直接使用a t 命令就可以方便简洁地实现短信息的收发、查寻和管理。经过 大量的资料收集比较，深入趣研究分析并结合现有的实验条件，我们对系统的体系 结构、集成板和软件做出了以下决定： 1 ) 硬件体系结构上选择s a m s u n gs 3 c 2 4 1 0 微处理器，6 4 m 字节内存和6 4 m 字节f l a s h 闪存，g s m 通信模块为西门予t c 3 5 1 ； 2 ) 软件体系上采用w i n d o w sc e4 2 版本作为操作系统内核，并使用e m b e d d e d v i s u a lc 十+ 作为软件开发工具。 通过我们所选择的硬件结构，搭建如图2 2 1 所示的分布式测控系统总体框架。 帔姗跞屏旧 m c u 控制器 丹 g s m 通信 模块 s 3 c 2 4 1 0 s 弧任n s 其他数据控制廷二今 1 3 5 i 图2 2 1 嵌入式分布测控系统框架 嵌入式系统的软硬件架构i l o , n 】可以如图2 2 2 所示。在嵌入式计算机系统开发 中，嵌入式主板的硬件开发和软件系统开发可以同步进行，但为了更符合图2 2 2 的层次结构，本章首先对系统的硬件设计进行介绍。 图2 2 2 中涉及到的s 3 c 2 4 1 0 芯片是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c c p u ，是嵌入式系统的核心。嵌入式硬件系统的设计必须紧紧围绕核心处理器的特 性，即a r m 9 2 0 t 的体系结构特点。因此在进行具体的硬件电路设计之前，必须先 对a r m 9 2 0 t 的体系结构有了解。a r m 9 2 0 t 是a r m 9 系列的第一个处理器，采用 了5 级指令流水线，使得处理器运行的时钟频率最高可以达到2 0 3 m h z ；存储器系 统根据哈佛体系结构重新设计，拥有独立的数据缓存和指令缓存；带有m m u ( 存 浙江大学顾士学位论文 第章系统总体设计疗案 储器管理单元) ，可以支持有虚拟存储器功能的操作系统。a r m 内核提供a h b ( a d v a n c e dh i 【g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 总线连接外 围设备。a h b 用于连接高性能系统模块。a p b 则为低性能的外部部件提供较简单 的接口。a h b 和a p b 总线之间通过a h b a p b 桥连接。 应用程序 图形界面支持 文件系统 b 0 0 t l o a d e r设备驱动程序 操作 系统 内核 底层硬件设备( 基于$ 3 c2 4 1 0c p u ) 图2 2 2 基于硬件的软件层次图 2 3 硬件体系架构 本系统采用三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式核心处理器，并根据该核心处 理器的体系结构特点开展硬件系统设计。$ 3 c 2 4 1 0 基于a r m9 2 0 t 内核i “ ，采用了5 级指令流水线，使得处理器运行的时钟频率最高可以达到2 0 3 m h z ；存储器系统根据 哈佛体系结构重新设计，拥有独立的数据缓存和指令缓存，带有m m u ( 存储器管理 单元) ，可阻支持有虚拟存储器功能的操作系统。如图2 3 1 所示。a r m 内核提供a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 总线连 接外围设备。a h b 用于连接高性能系统模块。a p b 则为低性能的外部部件提供较简单 的接口。a h b 和a p b 总线之间通过a h b a p b 桥连接。$ 3 c 2 4 1 0 片上集成了多种常用外 围设备控制单元，方便s t n t f tl c d 、u a r t 、u s b 、n a n df l a s h 、s d r a m 等多种外围 设备的接入。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片具有实时时钟r t c 和具 有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率 最高达到2 0 3 m t f z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e 、l f n u x 等操作系统 以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现丰从u s b 功能的时钟。时钟的运行频 率利输送的外围设备可由软件配置，使得系统其有强大的电源符殚功耗功能。 浙江大4 硕士学位论文 第二章系统总体设计打察 5 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，共 l g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。$ 3 c 2 4 1 0 还提 供n a n df l a s h 控制器，可以采用价格低容量大的n a n df l a s h 来作为系统数 据和程序的存储器件。同时$ 3 c 2 4 1 0 还支持从n a n df l a s h 肩动软件系统，使得用 户可以彻底摆脱队价格昂贵的n o rf l a s h 的依赖，本系统采用n a n df l a s h 与 s d r a m 组合，可以获得较高的性价比。 $ 3 c 2 4 t 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给：内核采用1 8 v 供电，存 储单元及g p i o 采用3 3 v 独立供电。如此低的电源要求，使得系统可由锂电池或 a a a a a 电池供电，满足移动便携式的要求1 2 u 。 图2 3 1 基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式系统硬件结构 存储模块的内存部分选用两片三星k 4 s 5 6 1 6 3 2 ，组成6 4 m b y t e s 的3 2 位宽的 s d r a m ：固态存储使用n a n df l a s h 作为程序和数据存储，选用三星的k 9 f 1 2 0 8 。 l c d 控制模块采用s 3 c 2 4 1 0 支持4 k 色彩的s t n 和2 5 6 k 色的t f t 液晶以及 触摸屏，满足高端系统开发的需要。在本嵌入式测控系统中，提供标准2 5 6 k 色t f t 1 c d 利触摸屏接口。 浙江人学硕士学位论文 第二章系统总体醍计方塞 以太网接口模块选用c s 8 9 0 0 a 芯片，支持1 0 b a s e t 以太网接口。 u s b 接口模块具有外设安装简单、即插即用、支持多设备连接和减少i o 接口 数量等优点。在嵌入式分布测控系统中支持u s b 接口使得工作者可以方便地把系统 接收到的原始数据、分析结果通过u 盘存储到p c 机中。 嵌入式测控系统中采用的g s m 无线接入模块采用的是西门子公司的t c 3 5 i ，如 图2 3 2 所示。该模块提供9 针的r s 一2 3 2 接口通过m a x 3 2 3 2 电平转换芯片与 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 0 接口相连，进行全双工通信。上电复位后，首先进行工作频率 等参数设置，然后s 3 c a l 0 将数据经串口发送给t c 3 5 ，t c 3 5 再将数据传到g s m 网 络。值得注意的是g s m 模块消息的收发是通过a t 指令来完成的， 应用程序必须 往g s m 模块设备文件中写入相应的a t 指令来控制g s m 模块。 图2 3 2g s m 无线接入模块硬件结构框图 2 4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的设计目标一般包括以下几个方面： 1 ) 适应小型系统，为低成本、弱计算能力的系统提供简捷、高效、完善的控制于 段，并提供高级电源管理。 2 ) 支持多种处理器和计算机结构，并支持多种设备借口。 3 ) 支持高要求的实时设计，提供可靠的内核操作系统服务。 浙江犬学硕十学位论文第章系统总体设讨力窠 4 ) 操作系统各部分模块化，选择特性定制以适应r o m 并以最佳的方式使用内存。 5 ) 为应用提供网络通信、图形用户界面、数据库、文件等支持。 w i n d o w sc e 系统为微软公司针对嵌入式系统应用开发的软件操作系统。w i n d o w s c e 系统的具有以下特点： 1 ) 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式。 2 ) 使用了对象存储技术包括文件系统、注册表及数据库。 3 ) 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨 号连接。 4 ) 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的 灵活性。 5 ) 支持嵌套中断。允许更高优先级的中断首先得到相应，而不是等待低优先级的 i s r 完成。这是的该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 6 ) 出色的图形界面。开发人员可以丰富灵活的为嵌入式应用建立各种专门的图形 用户界面；同时具有良好的得多任务处理能力。 w h a d o w sc e r t 应用程序 开发工具 j 外壳 内核对象存储 g w e s 通信 内置驱动程序、可安装驱动程序 硬件平台 图2 4 1系统软件的体系结构 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章系统总体殴计方案 w i n d o w sc e 可分为四个主要模块，如图2 4 1 所示，分别是内核模块、对象存 储文件系统模块、网络与通信模块以及g w e s 模块( 图形、窗口、事件、o e m a d a p t a t i o nl a y e r ) 。 1 ) 内核模块 内核模块 8 】由c o r e d l l d l l 表示，最小为2 0 0 k b 。它是w i n d o w sc e 操作系统的核 心，并为应用程序提供基本服务： a 1 进程与线程管理 进程是程序的实例，是程序的一次动态执行过程( 程序只是一个静态的文件， 一个程序可有多个进程，而一个进程只能对应个程序) 。进程也是操作系统分配系 统资源的基本单位。进程有自己受保护的3 2 m b 虚拟地址空间。进程没有优先级。 c e 最多支持3 2 个进程。系统启动时至少创建4 个进程：n k e x e ( 内核) 、f i l e s y s e x e ( 文件系统) 、g w e s e x e ( g u l 支持) 、d e v i c e e x e ( 加载维护系统设备驱动程序) 。大 多数平台还有：e x p l o r e r e x e ( 外壳) 、r e p l l o g e x e ( 如系统与p c 连接) 、r a p i s r v e x e ( 服务于系统与p c 连接) 。还剩余2 0 多个进程可由用户创建。线程是操作系统调 度和运行的基本单位。每个线程都有个堆栈和一个c p u 环境( c p u 内部一组寄 存器的一组值) 。虽然线程本身不拥有系统资源，但属于一个进程的线程间共享该进 程所拥有的全部系统资源。线程总数只受物理内存限制。线程由进程创建，是进程 的一个实体，总是隶属于进程，并共享进程的地址空间。由进程进行管理的线程可 以独立运行。同一个进程中的线程可以并行执行，而且一个线程可以刨建或撤销另 一个线程。 c e 实现抢占式、基于优先级的线程调度，线程之间由8 个优先级来竞争c p u 时间片。线程之间的同步( 即线程间的协调运行) 由“等待函数“和“等待对象“实 现：将等待对象作为参数传送给等待函数，等待函数直到满足条件才返回；如果不 满足条件，那么调用线程一直处于等待状态。c e 支持的“等待对象“包括临界区 域对象、时间对象和互斥体对象。 b 1 内存僻理 w i n d o w sc e 设备通常没有磁盘驱动器，物理内存由r o m 、r a m 组成。r o m 浙江人学硕士学位论文第璋系统总体设汁方案 内容由o e m 决定，包括操作系统和内置应用程序( 如p o c k e tw o r d 等) 。r o m 中的 程序可指定为本地运行( 即不需要装入r a m 而直接运行) 。r a m 可分为用户可改 变大小的“程序内存”和“对象存储内存”。“对象存储内存”用于存储文件。w i n d o w s c e 实现了“分页虚拟内存管理系统【1 2 】”。实现虚拟内存机制需要设备中的c p u 有 m m u ( m e m o r ym a n a g e ru n i t ) 装置。高级的嵌入式系统所使用的c p u 硬件上有 m m u ，因此可以实现虚拟内存机制。w i n d o w sc e 使用c p u 的内存管理单元来实 时地将虚拟地址转换为物理地址。c p u 内存管理的最小内存单元是页( 在w i n d o w s c e 中是1 k b 4 k b ，由c p u 类型决定) 。 w i n d o w sc e 为全部应用程序实现的虚拟地址空间为2 g b ，如图2 4 2 所示。为每 个应用程序实现的虚拟地址空间为3 2 m b ( 而w i n d o w sn t 为每个应用程序实现的 虚拟内存空间为2 g b ) 。虚拟页面可以处于三种状态：空闲、保留、提交( 占用) 。 空闲页( f r e e ) 是可以被保留或提交的可用页。保留页( r e s e r v e d ) 是逻辑页已分配 但没有分配物理存储的页。提交占用页( c o m m i t t e d ) 是物理存储已分配的页。 f f 】 ff f f f 8 0 0 0 0 0 0 0 4 2 0 0 0 0 0 0 4 0 0 00 0 0 0 3 e 0 00 0 0 0 0 4 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 系统保留 内存映像文件 s l o t 3 2 进程3 2 s l o t 3 1 进程3 1 s l o t l进程1 s l o t0 激活进程 图2 4 2 软件系统的虚拟内存结构 浙江大学硕十学位论文 第。章系统总体l 殳计方案 虚拟g , j 存空间中分出3 3 个3 2 m b 大小的槽( s l o t ) 。每个槽分配给当前运行的 进程。一个进程一个s l o t ( s l o t l s l o t 3 2 ) ，s l o t o 分配给当前活动的进程。当c e 在进 程间切换时，将重新映射地址空间，以便旧的进程移出s l o t 0 ，新进程移入s j o t o 。这 由c e 通过c p u 的页面转换表快速完成。s l o t 3 3 以上的地址空间用于内存映像文件 和操作系统。c e 还保留了s l o t 0 中的最低6 4 k b 的块供系统使用。下面再介绍每个 程序所使用的虚拟内存空间，即单个s l o t 空间。进程是一个程序的实例，有自己受 保护的3 2 m b 的地址空间。每个进程有自己的s l o t ，被激活时克隆到s l o t0 ( 但s l o t0 中的最低6 4 k b 的块是操作系统的保留空间，应用程序从0 x 1 0 0 0 0 即6 4 1 0 2 4 b = 6 4 k b 开始映射) ，如图2 4 3 所示。 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 、 c o r e d ii ，d l l o t h e r d u l s f r e ev i r t u a ls p a c e s t a c k ( r e s e r v e ds p a c e ) h e a p ( r e s e r v e ds p a c e ) r e s o u r c e s r e a dw r i t ed a t a r b a do r a yd a t a c o d e 厂 r e s e r v e d ，。 单个s l o l 0 e x e 映像 图2 4 3 单个虚拟内存槽的结构 一般情况下我们很少需要直接通过页为单位来进行内存分配。操作系统在虚拟 浙江大学硕士学位论文第二。章系统总体设计力辜 内存之上提供了逻辑内存的管理。逻辑内存管理的基本单位是堆，进行堆分配的基 本运行单位是进程。堆分配的a p i 函数v b c 相同，这星不再作介绍。在w i n d o w s c e 平台上开发应用程序，要格外注意内存的使用，要时刻牢记嵌入式系统的内存 资源是极其有限的，很多隐藏深、不易找到的错误大多与内存的使用不当有关。 w i n d o w sc e 在应用程序运行时最优化内存利用，当内存需求较高时，w i n d o w sc e 发送w mc l o s e 消息给空闲应用程序，并且将他们关闭，从而腾出内存空间给正 在运行的应用程序。在一个w i n d o w sc e 设备上不应当同时运行一个应用程序的两 个实例，因为这样会需要大量的内存。为更有效的管理低内存状态，w i n d o w sc e 应用程序可以响应w m _ h i b e r n a t e 消息。w mh i b e r n a t e 是w i n d o w sc e 中独 有的消息类型( w i n d o w s 中没有) ，w i n d o w sc e 用w mh i b e r n a t e 消息作为通 知应用程序释放内存的一个机制。当需要有内存释放时，系统将该消息发给一个或 多个应用程序。一个应用程序在接受到w m _ h i b e r n a t e 消息后应执行释放大块内 存，如删除暂不使用的数据，尽可能的释放窗口( 如通过消除或隐藏暂不使用的窗 口) 、位图、设备上下文等，因为他们可能消耗大量的内存。当操作系统不能为应用 程序快速释放或提供足够的内存时，系统将会显示内存不足对话框。该对话框是系 统模式对话框，他会冻结系统为休息状态。当内存不足对话框关闭时，所有被用户 选定的应用程序都会关闭。应用程序有约8 秒的关闭时间。如果时间过去了约4 秒， 内存仍然处于非常低的状态，则对话框将会再一次出现a 0 中断处理 当设备需要驱动程序的服务时，基于w i n d o w sc e 的平台使用中断通知操作系 统。c e 将中断处理分为两部分：i s r ( 中断服务例程) 和i s t ( 中断服务线程) 。i s r 是核心码部分。i s t 是用户码部分。c e 中可以将中断请求( i r q ) 映射为硬件中断， 并且实现相应的i s r 和i s t 。c e 的中断处理的机制f 2 2 蜓：当i s r 被触发时，i s r 只 负责启动i s t ；一旦i s t 启动了，1 s r 就返回，以便响应线程的中断。 2 ) 对象存储文件系统模块 w i n d o w sc e 的r a m 的存储内存空间又被稼为“对象存储”。它包括三种类型 的数据： 1 4 浙江大学硕士学位论文第璋系统总体鞋计疗褰 曲w i n d o w sc e 文件系统，包括数据文件和程序； b 1 系统注册表( 注册表示操作系统管理外围资源的方式) ； c 、w i n d o w s c e 数据库( 它是一种新的结构化存储方法，嵌入式系统内置程序 多时用它) 。 w i n d o w sc e 的文件系统包括三种类型：基于r a m 的文件系统，基于r o m 的 文件系统和f a t 文件系统。w i n d o w sc e 文件系统可以支持多达9 个f a t 卷。许多 设备有c o m p a c tf l a s h ( c f ) 插槽，把使用闪存的存储卡插在插槽上用来扩展文件 系统鸭不论存储设备是r a m 还是外围存储设备，例如c f 卡，应用程序对文件系 统的访问都是通过w i n 3 2 文件系统的a p i 函数来进行，需要注意其中使用u n i c o d e 字符集，常用的w i n 3 2 文件系统a p i 函数有：c r e a t e f i l e 、r e a d f i l e 、w r i t e f i l e 、 c l o s e h a n d l e 等。特别指出，与p c 不同是在w i n d o w sc e 中不支持磁盘字母标识功 能，如没有c ：、d ；等，设备文件名要完全包含3 个大写字母、个数字和一个冒 号( 如c o m l ；、g p s 0 ：等都是合法的，而c o m i 、c o m 2 1 、m o d e m l ：、l p t l 这些都不合法) 。r o m 文件不能用c r e a t e f i l e 等函数进行访问，但可以使用 l o a d l i b r a r y 、c r e a t e p r o c e s s 函数访问。w i n d o w s c e 数据库是目前p c 上所没有的一 种结构化存储方法。它由“纪录”组成，每个纪录由“属性”组成。与传统数据库 不同的是，不能通过锁定w i n d o w sc e 数据库来限制对它的访问。另外w i n d o w sc e 数据库并不是在关闭它的时候提交，而是在每次调用之后就提交。w i n d o w sc e 为 新增加的w i n d o w sc e 数据库提供了丰富的a p i 操作函数，如刨建、检索、修改、 删除等。w i n d o w sc e 系统中自带的“联系人”、“日程表”、“任务”等内置程序就 是使用w i n d o w sc e 数据库的范例，而且这些内置程序的数据可由其他应用程序通 过a p i 来操作使用。w m d o w sc e 支持w i n 3 2 注册表函数的一个子集合，相对应函 数的区别不大，主要是安全属性参数为n u l l 。 3 ) 系统的网络与通信模块 w i n d o w sc e 提供了比桌面操作系统更丰富的通信支持，如图2 4 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章系统总体设汁方案 e 圆圈困圈回圈 立田叵习 二至亘 亘回田园田回 e 匝亟匦匝互亟亟三二 匠 图2 4 4 系统的网络与通信模块框图 a 1支持串行通信w i n d o w sc e 设备可以通过串行连接与其他w i n d o w sc e 设备、p c 、打印机、m o d e m 、g p s 等进行通信。 b 1 支持用p p p s l i p 协议实现直接的串行连接和拨号连接。 c 1支持t c p i p 、f r p 、h t t p 防议和w i n s o c k l 1 的一个子集合h t t p f r p 的编程接口是w i n s o c k ，应用程序可通过w i n s o c ka p i 访问红外、蓝牙协 议栈