（通信与信息系统专业论文）wcdma+rlc层加密、纠错算法及时钟同步方法的研究.pdf

中文摘要 数字移动通信的发展日新月异，作为世界公认的三种第三代移动通信技术之 一的w c d m a 支持多媒体业务和高速率数据传输业务，r l c 层可以实现不同 q o s 级别的数据流传输服务。时钟同步是数字通信系统的关键技术之一。对r l c 层功能和时钟同步进行算法研究具有很好的理论价值和实际意义。 本文分为两部分。第一部分为主体，主要完成了w c d m a 协议r l c 层加密和纠错算法的研究和实现工作。将3 g p pr 4 版本的协议和具体算法相结 合，提出了r l c 层加密和解密功能的实现方案，对其实现模块做了详细的描述， 并提出了测试方案，分析了测试结果。第二部分是次要部分，完成了时钟同步方 法的仿真和f p g a 实现，简要描述了模块的实现，分析了仿真和验证结果。 第一部分首先分析了w c d m a 在国内外的发展情况，然后介绍了软件开发 环境w i nc e5 0 嵌入式操作系统和有关进程、线程和事件等相关概念，具体描 述了p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台的定制过程。另外，还对r l c 层中与加密和纠错 功能相关的协议部分进行了深入讨论。这一部分的主要成果和创新之处在 于：将协议与算法研究相结合，给出了r l c 层加密和纠错功能的设计 实现模块，根据自行提出的测试方案在p l a t f o r mb u i l d e r 中进行测试， 并对测试结果进行了分析。在r l c 加密功能的实现部分，首先介绍了 r l c 层的加密过程和加密算法，结合协议自定义了重要的数据结构，创 新性地提出用链表来存储数据的方案。本文采用基于过程的实现方法， 将总体功能划分为小的功能模块来设计实现。在r l c 加密功能的测试 部分，先验证独立加密算法的正确性，再测试r l c 层加密功能的实现。 在r l c 纠错功能的实现中，结合a r q 纠错机制和协议参数提出了延迟 状态报告的选择性重传a r q 方案，并从发送端和接收端两方面进行功 能子模块的设计。在r l c 纠错功能的测试部分，从发送端和接收端两 方面分别测试，并与w i nc e 中与事件有关的函数相结合。 第二部分根据时钟同步的原理设计了在a d s 软件中的仿真电路和 在q u a r t u si i 中的f p g a 实现模块，并给出了仿真和验证结果。 本文给出的算法研究和设计实现方法可以为数据链路层协议、安全 协议、a r q 协议和时钟同步方法的研究和开发提供参考与帮助。 关键词：宽带码分多址无线链路控制加密纠错时钟同步 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n g e sq u i c k l y a so l l eo ft h et h r e e s t a n d a r d so f3 gi nt h ew o r l d , w c d m ap r o v i d e sm u l t i m e d i as e r v i c ea n dh i 曲b i t r a t e d i 西t a ls e r v i c e s ，a n dr l cl a y e rp r o v i d e sd a t as t r e a mt r a n s f e rs e r v i c eo fd i f f e r e n tc l a s s q o s t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho fr l cl a y e rf u n c t i o na n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nh a s i m p o r t a n ti n f l u e n c ei nt h e o r yr e s e a r c ha n dr e a l i s t i ca p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri n c l u d e st w op a r t s t h ef i r s tp a r ti st h em a i nb o d y i tf i n i s h e sr e s e a r c h a n dr e a l i z a t i o no fc i p h e r i n ga n de r r o rc o r r e c t i n gf u n c t i o nu s e di nw c d m ar l c l a y e r , p r e s e n t st h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fc i p h e r i n ga n de r r o rc o r r e c tf u n c t i o n , d e s c r i b e st h e m o d u l e ，p r e s e n t st h em e t h o do ft e s t i n g ，a n a l y z e st h et e s t i n gr e s u l t s t h es e c o n dp a r ti s m i n o r i tf i n i s h e st h es i m u l a t i o na n df p g ar e a l i z a t i o no ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n f i r s t l y , t h ef i r s tp a r ta n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fw c d m a t h e ni ti n t r o d u c e s s o m ek n o w l e d g eo fw i nc e5 0e m b e d d e do s ，d e c r i b e st h ep r o c e s so fb u i l d i n g p l a t f o r mb u i l d e re m u l a t o ri nd e t a i l ，a n dd e 印l yd i s c u s s e st h ep r o t o c o lr e l a t e dt o c i p h e r i n ga n de r l o rc o r r e c tf u n c t i o ni nr l cl a y e r t h ea c h i e v e m e n ta n di n n o v a t i o no f t h i sp a r ti sc o m b i n i n gp r o t o c o lw i t ha l g o r i t h m , i td e s i g n st h em o d u l et oa c c o m p l i s h c i p h e r i n ga n de r r o rc o r r e c t i n gf u n c t i o n , t e s t si np l a t f o r mb u i l d e ra c c o r d i n gt o i n n o v a t e dt e s t i n gm e t h o da n da n a l y z e st h et e s t i n gr e s u l t s i nc i p h e r i n gp a r t , i tp r e s e n t s t h ep r o c e s sa n da l g o r i t h mo fc i p h e r i n g ，d e f m e sd a t as t r u c t u r e ，g i v e so u ti n n o v a t i v e m e t h o dt os t o r ed a t a si nl i n k t h i sp a p e ru s e st h er e a l i z a t i o nm e t h o db a s e do n p r o c e d u r e ，d i v i d e st h ew h o l ef u n c t i o np a r ti n t os m a l lp a r t s i nc i p h e r i n gt e s t i n gp a r t ，i t t e s t sc i p h e r i n gf u n c t i o ni n d e p e n d e n t l y , a n dt h e nt e s t sc i p h e r i n gf u n c t i o ni nr l c l a y e r i ne l t o rc o r r e c tp a r t ，c o n s i d e r i n gb o t h u 硷p r i n c i p l ea n dp r o t o c o lp a r a m e t e r , i tb r i n g s f o r w a r dt h es r - a r qs c h e m ew h i c hd e l a y ss t a t u sp d u ，d e s i g n st h et r a n s m i t i n ga n d r e c e i v i n gm o d u l e s i ne r r o rc o r r e c tt e s t i n gp a r t , c o m b i n i n gt e s t i n gw i t he v e n tf u n c t i o n o f w i nc e ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h et e s t i n gm e t h o da n da n a l y z e st h et e s t i n gr e s u l t s t h es e c o n dp a r td e s i g n st h ec i r c u i ta n dm o d u l e so ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n t h i sp a p e rp r o v i d e sm a n yr e a l i z a t i o nm e t h o d sf o rd e v e l o p m e n to fl i n kc o n t r o l p r o t o c o l ，s e c u r i t yp r o t o c o l ，a r qp r o t o c o la n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n k e yw o r d s ：w c d m a ，r l c ，c i p h e r , e r r o rc o r r e c t , t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n 缩略语 a m a m d a r q b c c h b c h c - c c c h c c h c c t r c h c r c c t c h d c c h d c h d l d s c h d t c h f a c h f d d l 1 l 2 l 3 l i l s b m a c m r w m s b p d u p h y p h y c h r a c h r l c r r c s a p s d u s h c c h s n 缩略语 a c k n o w l e d g e dm o d e a c k n o w l e d g e dm o d ed a t a a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l b r o a d c a s tc h a n n e l c o n t r o l c o m m o nc o n t r o lc h a n n e l c o n t r o lc h a n n e l c o d e dc o m p o s i t et r a n s p o r tc h a n n e l c y c h cr e d u n d a n c yc h e c k c o m m o nt r a f n cc h a n n e l d e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l d e d i c a t e dc h a n n e l d o w n l i n k d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l d e d i c a t e dt r a f f i cc h a n n e l f o r w a r dl i n ka c c e s sc h a n n e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x l a y e r1 ( p h y s i c a ll a y e r ) l a y e r2 ( d a t ah n kl a y e r ) l a y e r3 ( n e t w o r kl a y e r ) l e n g t hi n d i c a t o r l e a s ts i g n i f i c a n tb i t m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o v er e c e i v i n gw i n d o w m o s ts i g n i f i c a n tb i t p r o t o c o ld a t au n i t p h y s i c a li a y e r p h y s i c a ic h a n n e l s r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i or e s o u r c ec o n n o l s e r v i c ea c c e s sp o i n t s e r v i c ed a t au u i t s h a r e dc h a n n e lc o n t r o lc 。h a n n e l s e q u e n c en u m b e r 9 8 确认模式 确认模式数据 自动重复请求 广播控制信道 广播信道 控制一 公共控制信道 控制信道 编码复合传输信道 循环冗余校验 公共业务信道 专用控制信道 专用信道 下行链路 下行共享信道 专用业务信道 前向链路接入信道 频分双工 第一层( 物理层) 第二层( 数据链路层) 第三层( 网络层) 长度指示 最不重要比特 媒体接入控制 移动接收窗口 最重要比特 协议数据单元 物理层 物理信道 随机接入信道 无线链路控制 无线资源控制 服务接入点 服务数据单元 共享信道控制信道 序列号 缩略语 s u n t c h t d d t f l t m t m d t t i u - u e u l u m u m d u m t s u t r a u t r a n s u p e rf i e l d 超域 t r a 佑cc h a n n e l业务信道 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 t r a n s p o r tf o r m a ti n d i c a t o r 传输格式指示 t r a n s p a r e n tm o d e 透明模式 t r a n s p a r e n tm o d ed a t a 透明模式数据， t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l传输时间间隔 u s e r - 用户端 u s e re q u i p m e n t用户设备 u p l i n k 上行链路 u n a c k n o w l e d g e dm o d e 非确认模式 u n a c k n o w l e d g e dm o d ed a t a 非确认模式数据 u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 通用移动通信系 统 。 u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s 通用移动通信系统陆地无线 接入 u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k 通用移动通信系统陆 地无线接入网 9 9 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂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。 学位论文作者签名： 奄奄 签字日期：卯司年6 月雠e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 喃确 签字日期：硼年6 月f 年e l 导师签名： 专黼存 签字日期：施7 年够月f ￥e l 第一章绪论 第一章绪论 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化。通信技术的进步 更是对社会的文明与进步产生了深刻的影响。移动通信系统由于综合利用了有线 和无线的传输方式，解决了人们在运动过程中与固定终端或其他移动载体上的用 户进行通信的需求。个人通信概念的出现更是为未来的通信服务展示了美好的前 景，它的发展将使人类步入一个新的“信息时代”。 个人通信的实现，离不开移动通信的发展。因此，移动通信成为目前发展最 快、应用最广的通信技术。它所采用的技术往往代表了通信技术的最新研究成果。 移动通信从产生到现在，虽然历史并不是很长，但其发展却日新月异。到目 前为止，移动通信系统的发展经历了三代：第一代是模拟通信系统，其代表系统 为美国的a m p s ( 先进的移动电话业务) 和英国的t a c s ( 全接入通信系统) 等； 第二代是窄带数字移动通信系统，其代表系统为美国的i s 9 5 和欧洲的g s m ( 全 球移动通信系统) 等；第三代是宽带数字移动通信系统，目前的国际标准有 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 第一、第二代蜂窝移动通信系统主要是针对传统的话音和低速率数据业务开 发的系统，无法满足未来对数据业务的需求，而且随着用户数量的迅猛增加，现 有的系统也将远远不能满足用户容量的发展需求。第三代移动通信系统( t h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ，简称3 g ) 是一种较第一、第二代移动通信系统更 为先进的移动通信系统。它的最高目标就是使个人终端用户能够在任何时间、任 何地点、与任何人通过任意方式高质量地实现任何信息的传递。3 g 工作于2 g h z 频段，能够将各种业务结合起来用单一的全功能网络来实现。 1 1 研究背景 1 1 1w c d m a 标准概述 w c d m a 1 1 ( 在欧洲被称为u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，即通用移动通信系统) 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活 动，g s m 的巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生了重大影响。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p ( 第三代伙伴项目) 极大地推动了w c d m a 技术的发展，加快了 w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u 批准的国际通信标准。 第一章绪论 w c d m a 的技术特点有【2 】： 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务； b t s 之间无需同步； 优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换； 上、下行快速功率控制； 反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益，提高功率控制准确 性) ； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 1 1 2 国际上w c d 凇的发展现状 w c d m a 的研究可以追溯到1 9 8 8 年欧洲进行的高级通信技术研究( r a c ei ) 计划。但是直到3 g p p ( 3 g 伙伴计划) 的建立，才开始真正的w c d m a 技术规 范的制定。 w c d m a 标准化的一个非常突出的特点是版本多、更新快。3 g p p 目前的版 本包括：r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 、r 7 和r 8 。其中r 9 9 和r 4 版本比较成熟且被成功 的商用化。 r 9 9 是1 9 9 9 年1 2 月发布的。作为w c d m a 的第一个版本，核心网系统继 承g s m 和g p r s 核心网所有的特征【3 】。目前在全球已经安装和试开通的w c d m a 网络都是基于r 9 9 这个版本的。 r 4 是在2 0 0 1 年3 月完成的。相对于r 9 9 ，r 4 无线接入网网络结构没有改 变，改变的只是一些接口协议的特性和功能的增强。r 4 中最主要的特点是加入 低码片速率t d d 模式【3 】( l c r t d d ) ，即由中国提出的t d s c d m a 。另外核心 网电路域变化较大。 1 1 3w c d m a 在我国的发展情况 我国政府对3 g 采取了积极研究开发、慎重稳妥发展的策略，研究基本上与 国际同步，基本完成t 3 g 规范的制定工作，目前正处在3 g 网络的试验阶段。中 国信息产业部本着“积极跟进、先行试验、培育市场、支持发展”的原则，已经 组织了1 8 个厂商进行m t n e t ( 数字移动通信模拟试验网) 测试，其中w c d m a 标准 的测试情况满意度较高，且w c d m a 基站目前己有很多系列化的产品，使运营商 可以根据不同收益情况选择不同类型的基站，可大幅降低建网成本。 中国通信业界对w c d m a 技术给予了积极的关注。据业内人士分析，随着 中国电信市场的逐步发展，竞争会越来越激烈，运营商把引入3 g 、吸引客户作 第一章绪论 为自己新的业务增长点。众所周知，w c d m a 基于g s m 核心网，能够平滑过渡， 并具有良好的网络兼容性。w c d m a 无论从标准、开放性还是服务上，自身的 诸多优点都适合中国运营商发展3 g 。 1 1 4 数字通信与同步 随着计算机技术和大规模集成电路技术的迅速发展和在通信领域中的应用， 数字技术已经成为现代通信系统的基石。同步始终是通信技术( 尤其是数字通信 技术) 领域一个重要而又令人头痛的技术问题 4 1 。随着现代通信与网络技术的飞 速发展，同步的重要性更加突出。许多先进的通信技术与系统，如扩频通信、 c d m a 和o f d m 等，都要求精确的实现载波同步、时钟同步等，否则系统的优 越性能将得不到保证，先进性也无从发挥。 1 2 本文的意义和所作工作 w c d m a 是极具发展潜力和前景的3 g 标准，具有很大的发展空间。w i nc e 5 0 是微软公司推出的嵌入式操作系统，在手持设备和智能手机等领域有着非常 广泛的应用前景，也是3 g 移动终端首选的操作系统之一。基于w i nc e5 0 嵌入式 操作系统的w c d m a 协议栈的研究与开发具有较大的理论探索意义和实际的应 用价值。 无线通信是一个飞速发展的领域，其中的安全问题也随着社会的发展越来越 突出。对一些比较成熟的加密算法和技术进行研究并将其应用于协议层的安全实 现，也具有理论和实践的双重意义。 w c d m a 能够提供高速数据传输的多媒体业务，而作为w c d m a 协议重要组 成部分之一的r l c 层在a m 模式下较复杂的传输机制，为协议的实现提供了更可 靠的数据传输，获得了更高级别的q o s ，从而适应这种高速数据业务的需要。对 r l c 层传输机制和纠错功能的研究和实现对于从总体上理解w c d m a 协议的特 点甚至第三代移动通信的特点都具有重要意义。 对时钟同步方法的研究和实现对于数字通信理论的深入理解和数字通信技 术的应用具有理论和实践的双重意义。 本文在认真研读w c d m a 协议r 4 版本的基础上，主要研究r l c ( 数据链 路控制) 层的数据格式和功能实现；学习并掌握了w i nc e5 0 嵌入式操作系统 和在w i nc e5 0 该系统下进行软件开发的流程和步骤；完成了测试所需w i nc e 5 0p l a t f o r mb u i l d c r 仿真平台的定制；阐述了u m 工作模式下的加密解密功能和 a m 工作模式下的纠错功能；结合3 g p p 协议中3 3 系列有关3 g 的安全架构和 第一章绪论 3 5 系列有关3 g 保密性算法的描述，针对其中r l c 层的加密算法用c 语言编写 代码实现；讨论并研究了3 种a r q 机制的性能，针对r l c 层要实现的功能和协 议中规定的参数，采用经过改进的选择性重传a r q 机制，用c 语言实现了a m 工作模式下的纠错功能；在w i nc e5 0p l a t f o r mb u i l d e r 仿真环境中对加密解密 功能和纠错功能的软件代码进行测试。 与此同时，本人还参与了海事卫星通信全数字中频接收机的科研项目，主要 负责该项目中时钟同步的实现，研究了数字通信中时钟同步的基本原理和算法， 在仿真之后用f p g a 进行了实现。本文的第二部分给出了时钟同步的仿真电路和 f p g a 实现的模块设计，并分析了仿真和验证结果。 1 3 论文结构 第一章绪论，介绍了本文研究内容的背景、意义和完成的主要工作。 以下是论文的主体部分。第二章至第五章是论文的第一部分，主要阐述了 w c d m ar l c 加密与纠错算法的研究实现。第六章是论文的第二部分，简要描 述了时钟同步方法的仿真和实现。 第二章介绍w i nc e5 0 嵌入式操作系统和有关进程、线程和事件等相关概 念，具体描述了w i nc e5 0p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台的定制过程。 第三章给出了w c d m au u 接口的协议结构，介绍了r l c 子层三种模式实 体的工作原理和协议细节，同时重点介绍了协议中有关u m ( 非确认) 模式实体 的加密解密功能和a m ( 确认) 模式实体的纠错功能的相关内容。 第四章是r l c 层加密功能的具体实现，主要研究了r l c 层采用的f 8 加密 算法，结合r l c 层协议给出了自定义的数据结构，在提出总体设计思路后介绍 自行设计的各子模块和主函数实现的流程图，最后详细描述了自行提出的测试方 案并对测试结果进行具体分析。 第五章是r l c 层纠错机制的选择及实现，介绍了a r q 机制的原理，阐述了 3 种a r q 机制的工作过程，通过数学推导比较3 种a r q 协议的性能，在此之上 提出r l c 层的a r q 方案设计，并结合r l c 层协议功能对其采用的选择性重传 a r q 的方案进行改进，在功能的具体实现上，从发送端和接收端两方面介绍了 自定义的数据结构和各子模块的程序流程图，最后对发送端和接收端两部分的功 能进行测试。 第六章是时钟同步算法的研究和实现，讨论并研究了时钟同步的基本原理， 在a d s 软件中搭建仿真电路并分析了仿真结果，给出了在q u a r t u si i 软件中的模 块设计实现，最后下载到f p g a 板上进行验证并分析了结果。 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平 台 、 本文采用w i nc e5 0 嵌入式操作系统来实现w c d m ar l c 层加密与纠错算 法。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统( 包括软硬件系统) 极为重要的组成部分。嵌入式操作系统具有通用操作系 统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、存 储管理、设备管理、中断处理等操作系统任判5 1 。它通常包括与硬件相关的底层 驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等软 件模块。与通用操作系统相比较，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。 一般情况下，嵌入式操作系统可分为两类：一类是面向控制和通信等领域的 实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公 司的q n x 和a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统， 这类产品包括个人数字助理、移动电话、机项盒、电子书及网络电话等。 其中实时操作系统又可分为两类： ( 1 ) 可抢占型实时操作系统。 ( 2 ) 不可抢占型实时操作系统。 w i nc e5 0 属于可抢占型的实时操作系统。 2 1w i nc e5 0 介绍及与其他版本比较 w i nc e 是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升 级的3 2 位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，w i nc e 的图形用户界面相当出色。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费 ( c o n s u m e r ) 、通信能力( c o n n e c t i v i t ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) ；e 代表电子产品 ( e l e c t r o n i c s ) 。 从1 9 9 6 年w i nc e1 0 诞生起，到2 0 0 6 年上市的、矾nc e6 0 ，w i nc e 至今 已经发展了十多年的时间。在这期间它先后经历了w i nc e1 0 、w i nc e 2 0 2 1 1 2 1 2 、w i nc e3 0 、w i nc e n e t 4 0 4 1 4 2 、w 缸c e5 0 和w 协c e6 0 版 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 本，取得了巨大成功。 w i nc e5 0 是微软于2 0 0 4 年7 月推出的w i nc e 的最新版本。与以前版本 相比，w i nc e5 0 的变化主要集中在如下几个部分： ( 1 ) 操作系统增强 在硬件驱动方面，新增了对u s b2 0 的支持；在图形方面，新增了d i r e c t3 d m o b i l e 的支持和对图片格式的支持；在内核层面，w i nc e5 0 支持的系统中断 ( s y s i n t r ) 从3 2 个增加到6 4 个。 ( 2 ) 统一的构建系统 w i nc e5 0 中把使用p l a t f o r mb u i l d e r 构建操作系统与使用命令行构建操作 系统进行了统一。而在以前的p l a t f o r mb u i l d e r 中，使用命令行构建与使用p l a t f o r m b u i l d e r 构建采用的是两套不同的机制，这给开发人员造成了一定的困难。 ( 3 ) 高质量的b s p w i nc e5 0 将b s p 的功能提炼为一些小的库文件，并且对b s p 的目录及文 件都做了限定。这样不但简化了b s p 的开发，而且相比以前的b s p ，更加模块 化，结构更加清晰。 2 2w i nc e 操作系统结构 w i nc e 的操作系统模型如图2 - 1 所示。在图2 1 中，由三条黑线将系统分为 4 层。最底层是硬件层，指c p u 、板卡等硬件设备组成的硬件系统。最顶层是应 用层，应用层主要包括w i nc e 应用程序、客户应用程序、i n t e m e t 客户服务和国 际化的用户接口等部分。中间两层是操作系统层和o e m 层，这两层构成了实际 的操作系统。 o e m 层包括以下模块： ( 1 ) o a l 模块，它主要包括和硬件相关的功能。 ( 2 ) 引导程序，它是嵌入式操作系统中将操作系统核心调入内存的引导程 序。 ( 3 ) 配置文件，根据不同硬件系统的特点进行相关文件的配置。 ( 4 ) 驱动，驱动程序是嵌入式操作系统中至关重要的部分，它使操作能驱 动不同的硬件，继而实现了操作系统与具体硬件的分离。驱动程序是许多许多其 他模块的底层。 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 图2 - 1w i n c e 操作系统模型 o e m 层是嵌入式系统中实现系统可移植性的重要一层，正是o e m 层使w i n c e 实现了广泛的硬件支持。 操作系统层包括以下模块： ( 1 ) c o r e d l l ，它是w i nc e 操作系统最为重要的组成部分之一，它处在操 作系统和应用层之间，隔离了操作系统其他模块与应用层，使系统的应用层通过 c o r e d l l 来与操作系统模块进行通信，使操作获得了一个保护层。在系统中， c o r e d l l 层主要担任对外部调用系统功能进行代理的任务，它实现了系统a p i 的管理和按名调用。另外，c o r e d l l 实现了字符串处理、随机数生成、时问计 算等基本支持函数。 ( 2 ) 核心，w i nc e 操作系统的核心在系统运行时体现为n k e x e ，一个占 用空间很小的核心文件。核心部分在整个操作系统运行中，始终运行在较高的优 先级和处理器特权级别上。核心主要完成六类功能：处理器调度、内存管理、异 常处理：系统内的通信机制、为其他部分提供核心调用例程和为系统范围内的调 试提供支持。一般除了中断例程外，系统内其他的线程不能抢占内核，并且在虚 拟存储管理模式下，内核也总是被禁止换出的。 ( 3 ) 设备管理模块，它是w i nc e 操作系统对设备进行管理的核心模块， 运行时表现为d e v i c e e x e 。设备管理模块提供基本的设备列表管理、即插即用管 理、i o 资源管理以及设备驱动程序工作的基本机制。 ( 4 ) 图形窗口和事件系统模块，图形窗口和事件系统模块是w i nc e 与微 软桌面操作系统区别较大的一个模块，它在运行时表现为o w e s e x e 。它主要实 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 现基本的绘图引擎、窗口管理、界面的事件机制等。 ( 5 ) 通信和网络服务模块，这个模块在w i nc e 操作系统中是相对独立的 一个模块。它的主要功能是完成w i nc e 操作系统与外界网络的通信功能，并为 操作系统上层提供网络服务。 ( 6 ) 对象存储模块，它是指w i nc e 的存储内存空间。它包括三种类型的 数据：w i nc e 文件系统，包括数据文件和程序；系统注册表；w i nc e 数据库。 ( 7 ) 应用和服务开发模块，包括一般所说的w i n 3 2 系统服务模块，它是 w i nc e 对应用程序提供的接口。在系统实际运行时，这一部分的相当一部分内 容被包含在n k e x e 中。在应用开发和服务开发时，系统利用这一模块完成开发 者的系统调用。 在w i nc e 中，每一个功能模块可以称之为一个特性，这些特性可能是独立 的也可能有一些依赖关系。、c e 专门提供了开发工具管理这些特性，并且可 以跟踪这些关系，于是开发者可以通过一定的手段选择一些特殊性进行组合，生 成一个开发用的原型系统，而背后的模块组织、编译、装配等工作可以由这些工 具完成【6 1 。 2 3 进程、线程与同步 2 3 1 进程 进程是一个正运行的应用程序的实例【6 l 。它由两个部分组成：一个是操作系 统用来管理这个进程的内核对象，另一个是这个进程拥有的地址空间。这个地址 空间包含应用程序的代码段、静态数据段、堆、栈和本地执行d l l 。 2 311 进程与程序 进程和程序的联系： 程序是构成进程的两个组成部分之一。一个进程的运行目标是执行它所对应 的程序，如果没有程序，进程的存在就没有任何的意义。 进程和程序的区别主要有以下三点： ( 1 ) 程序是静态的，进程是动态的。 ( 2 ) 程序可以在存储设备( 如磁盘) 上长期保存，而进程具有它的生命周 期，被创建后存在，被撤销后消失。 ( 3 ) 一个程序可以对应多个进程，但是一个进程只能对应一个程序。例如： 打开写字板的两个窗口，编辑两个不同的文档，就对应两个不同的进程。 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 2 3 1 2 与进程有关的函数 主要包括创建一个进程和终止一个进程。本文没有用到进程的函数，故这里 仅做简要介绍。用c r e a t e p r o c e s s ( ) 函数来创建一个进程的a p i 函数，它包含1 0 个参数，返回值是b o o l 型。 终止一个进程最好是由w i n m a i n 或者其它主函数返回，并且这也是大多数 进程结束的方式。其他的方式包括在主线程中调用e x i t t h r e a d 函数，或者直接调 用e x i t p r o c e s s 函数。 2 3 2 线程 同进程相比，线程是真正的执行单元，它控制c p u 执行进程中某一段代码 段。线程是进程的一个实体，是c p u 调度和分配的基本单位，除了一些在运行 中必不可少的资源( 例如程序计数器，一些寄存器和栈) ，线程自身基本上不拥 有系统资源，但是线程可以和同属于同一个进程的其他线程共享进程所拥有的全 部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程内的线程也可以并发 执行。 2 321 线程与进程 线程具有许多进程所具有的特征，所以又被称为轻量级进程。通常一个进程 都有若干个线程，至少有一个( c e 中是主线程) 。下面将从几个方面简单地比 较一下线程和进程： ( 1 ) 调度方面：传统操作系统中，进程是分配资源、独立调度和分派的基 本单位。引入线程后，线程当作调度和分派的基本单位，进程仍然是拥有资源的 基本单位。线程可以轻装运行，同一进程内线程的切换并不需要进程的切换，这 样可以显著提高系统的并发程度。 ( 2 ) 并发性：引入线程不仅在进程之间可以并发执行，而且在一个进程中 的多个线程之间也可以并发执行，因而使操作系统有更好的并发性，能更有效地 使用系统资源和提高系统的吞吐量。 ( 3 ) 拥有的资源：进程是一个拥有资源的独立单位，一般说来，线程不拥 有自己的系统资源，它可以访问其所属的进程的资源。 ( 4 ) 系统开销：由于进程的创建或撤销时，系统都要为进程分配或回收资 源，所以付出的开销也比较大，而线程的切换只需要保存和设置少量寄存器内容， 所以线程切换的开销远远小于进程切换的开销。 第二章w i nc e5 0 嵌入式操作系统及p l a t f o r mb u i l d e r 仿真平台 2 3 2 2 与线程有关的函数 与线程相关的函数有：创建、退出、恢复、挂起一个线程。本文用到了创建 线程的函数，这里做一介绍。 h a n d l ec r e a t e t h r e a d ( l p s e c u r i t ya t t r i b u t e sl p s a ， 严参数：忽略，必须为n u l l 宰 d w o r dc b s t a c k , 参数：栈的大小，通常忽略 l p t h r e a d s t a r t r o u t i n el p s t a r t a d d r , 严参数：线程执行的函数地址 | l p v o i dl p v t h r e a d p a r a m , 严参数：传给线程的变量指针 d w o r df d w c r e a t e ， 参数：线程创建后的状态 l p d w o r d l p l d t h r e a d 严参数：存储线程i d 的变量指针 ) ； c r e a t e t h r e a d 为创建线程的函数，参数1 必需置为n u l l ，参数2 通常忽略， 参数3 为线程要执行的函数的入口地址( 即入口函数名) ，参数4 为一个指向传 给线程的3 2 位变量的指针，参数5 可以控制线程创建完成之后的状态，如果忽 略则线程创建完立即执行，如果为c r e a t es u s p e n