（通信与信息系统专业论文）专用无线接入网接入点嵌入式软件系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 公安机关作为一个特殊的部门，为有效打击犯罪，维护治安，对通信能力的需求很全面， 在日益复杂的社会治安形势下，目前仅依靠其专属的地面有线宽带网络通信己不能满足工作 需要。相较之下，无线通信覆盖范围大，成本低，安装、扩容方便，及其特有的移动性，给 工作的展开带来很大便利。因此，公安部门急需无线宽带移动通信作为固定宽带网络以及无 线窄带话音移动通信的补充与支持。本文利用ii n u x 系统开放性好，配置灵活的特点给出 了基于l i n u x 系统专用无线接入网中接入点无线接入控制与i p 互连功能嵌入式软件系统设计 方案及实现方法。 本文首先介绍了无线接入点的基本原理。然后根据系统功能指标。综合分析了实时性、 安全性、稳定性等多方面因素确定了基于l i n u x 的嵌入式软件系统开发。接着，在裁剪定制 的li n u x 系统平台上，给出了接入点系统设备驱动的设计方法。由于系统业务对实时性的特 殊要求，论文对l i n u x 系统的实时性开发做了深入研究，并针对l i n u x 内核提出了相应的 改进方法，有效提高了系统的实际性能。最后，研究设计开发了实现移动终端和a p 之间i i a c 通信控制的嵌入式软件系统，实现了终端和a p 之间的宽带互联通信。 文章针对嵌入式系统平台设计及驱动开发进行了深入的研究和阐述，所设计的宽带数字 无线综合接入专用通信网能够支持流动和移动终端的无线数据联网双向通信，并实现具有 0 0 s 性能的图像无线传输。 关键字：无线接入点l i n u xp c i a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ea p p l i c a t i o n so fw i d e b a n dw i r e l e s sn e t w o r ka r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e u n i v e r s a l b u i l d i n gw i d e b a n di n t e g r a t e dw i t l e s sn e t w o r kf o rs p e c i a la r e ai sa l s ou r g e n t l yr e q u i r e d h o w e v e r , w i r e l e s sa c c e s se q u i p m e n tb a s e d0 1 1i e e e 8 0 2 1lc a nn o tp r o v i d es p e c i a lf e a t u r e ss u c h a s f e t y , q o s t h e r e f o r e , w es h o u l dd e s i g naa p p r o p f i a t i v ew i r e l e s sn e t w o r kt o m e e tt h e r e q u i r e m e n t b yv i r t u eo ft h eo p e nr e s o u r c ea n de a s yc o n f i g u r a t i o no fi , i n u xs y s t e m t i l i sp a p e r s h o w sam e t h o do fd e v e l o p l i n gt h ee m b e d d e ds o f t w a r eo fa c c e s s p o i n ti np r o f e s s i o n a lw i r e l e s s n e t w o r k f i r s t , t h ep a p e rg i v e sag e n e r a lv i e wo fa c c e s sp o i n ts y s t e m t h e nr e a l t i m ea b i l i t y , s a f e t y a n ds t a b i l i t ya r ea n a l y z e dt om a k es u r ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mi st h ef i n a lc h o i c e b a s e do ni t , t h ed r i v e r sd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e d m o r e o v e r , b e c a u s eo f t h eh i 曲d e m a n do f r e a l - t i m ea b i l i t y , t h ep a p e rg i v e saf i l n h e rr e s e a r c ho na m e l i o r a t i n gt h ed e f i c i e n tr e a l - t i m ea b i l i t yo fl i n u xs y s t e m f i n a l l y ，t h em e c h a n i s ma n dt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n0 1 1m a cl a y e rb e t w e e na c c e s sp o i n ta n d m o b i l et e r m i n a li sr e s e a r c h e dt om a k es u r et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w o t h ep a p e rf o c u s e s0 1 1t h ed e s i g no f e m b e d d e ds y s t e m t h ef i n a lb r o a d - b a n dw i r e l e s sa c c e s s n e t w o r kc a ns u p p o r tm u t u a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o v i n gp e o p l e ，r e a l i z i n gf u n c t i o nw i r e l e s s v i d e oa n dd a t at r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ，l i n u x ，p c i 1 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 公安机关作为一个特殊的部门，为有效打击犯罪，维护治安，在日益复杂的社会治安形势 下，仅依靠其专属的地面有线宽带网络通信已不能满足工作需要。而作为有线网络补充的公 众无线宽带通信网虽然具有覆盖范围大，成本低等优点，但考虑到公安工作的特点，公众无 线宽带通信网在专有性，灵活性，移动性，以及安全性上有很大的不足，而且现有的公安专 用无线通信网主要针对的仅仅是话音业务，缺乏对数据和图象通信的支持，因此，公安部门 急需专有的公安无线宽带移动通信网作为固定宽带网络的补充与支持。 基于公安部门的这种迫切需求，为了增强公安系统统一指挥、快速反应、协调作战的能 力，提高公安工作效率和侦察破案水平，公安部提出了建设“金盾工程i i l ”以适应我国在现 代经济和社会条件下实现动态管理和打击犯罪的需要。“金盾工程”实质上就是公安通信网 络与计算机信息系统建设工程。金盾工程的业务应用十分复杂，比如人口信息的建立、刑侦 信息的查询、出入境信息的管理、办公自动化、办公电话、会议电视等。但是，总体上来讲， 可以分为三类应用1 2 j ： 1 数据业务 主要包括人口管理信息系统、刑侦信息系统、出入境管理信息系统、监管人员信息系统、 交通管理信息系统、办公厅管理信息系统、违法犯罪人员信息系统等各种信息系统的应用。 这些应用的信息量比较大，是公安信息系统的主要应用。 2 视频业务 会议电视系统，现场视频流的实时传送等都是视频业务的典型应用。利用实时的视频业 务，公安部门可以将现场的消息直接传送回总部，利于问题的处理，特别是在一些大型的事 件中，实时的视频流交互，大大增加了公安部门处理问题的机动性和灵活性。然而这类业务 具有数据量大、突发性强、对时延和抖动要求比较高等特点，现有的公众无线通信网络无法 满足这方面的需求。 3 话音业务 话音业务是各级公安机关网络业务的重要组成。然而在我们的项目中，主要针对的是图 象和数据业务的支持和改进，这里话音业务就不赘述了。 由此可以看出，传统以话音业务为主导的网络体系结构，无法满足公安部门在数据业务 和视频业务上的特殊需求，因此建立起一个可以提供实时性数据和视频流交换的公安专用无 线宽带网络是十分必要的! 东南大学硕士学位论文 1 2 项目系统 东南大学移动通信熏点实验室承接公安部专用网项目研究，目标以南京地区为试点，建 立起一个能够覆盖南京市范围，公安系统专用的，具有信息安全保证，支持流动和移动警务 人员无线数据联网双向通信，并可实现实时视频无线传输的宽带数字无线综合接入通信网 络，从而构建南京市数字警察的无线支撑平台 目标网络架构如图卜1 所示： ， 叠一 到移 画j 图卜1 宽带数字无线综合接入通信网络 公安系统无线专用网系统由多个分散在不同地域的无线子网、有线传输网、中央控制系 统等组成。每个无线子网就近接入到公安系统的局域网，从而接入公安内部网络，必要时刻 通过网关或者接入服务器接入到i n t e r n e t 或者另一个网络。 单个无线子网主要由终端，接入点，系统控制中心、业务处理中心四部分构成：其中终 端( m o b i l et e r m i n a l ：m t ) 是一个通过无线接入方式接入到无线子网系统中的一个终端设 备，它主要支持基于i p 的数据业务和上下行的图像业务。接入点( a c c e s sp o i n t ：a p ) 是 一个无线控制设备，主要用来控制移动站接入或者向移动站发送控制信息。一方面，它可以 使m t 通过无线接入的方式连接到系统中。另一方面，它也为有线网提供对m t 的访问，它是 有线网络和无线终端互相访问的桥梁。而系统控制中心( s c c ) 是整个网络的中心，它运行 在有线网络上，保存有用户、 p 配置参数，它为用户、终端和a p 入网提供鉴权和身份认证， 实现用户认证和审计，并记录用户实时运行参数，其中包括用户当前的登记小区等，因此它 是系统的控制中枢。其核心是可网络访问的数据库系统。该中心保存有相对静态的系统参数 ( 如用户配置，系统基本参数设置) 和实时运行参数( 如用户、 p 状态) 。最后业务处理中 心( s e r v i c ep r o c e s s i n gc e n t e r ：s p c ) ，它是系统中业务交换中心，负责处理具体的i p 视频流等业务，实现业务数据的记录，完成用户切换时的数据交换，从而实现移动性管理。 整个网络提供标准i p 互联功能，与地面i p 网络业务应用一致；提供具有差错控制性能 保证的无线数据互联通信；无线接入速率5 5 l b p s 以上多点多业务共享，高效动态分配； 采用24 g 频段，带宽2 咖；提供3 8 4 k b p s 、2 5 帧秒m p e 6 4 数字图像处理、传输功能i 可支 持图像、话音到地面i p 网络p c 终端上的交互综合通信。 2 巾 8 譬l 点、11 第一章绪论 1 3 课题任务 本研究课题的主要任务是无线接入点嵌入式软件系统开发，无线接入系统的基本硬件功 能模块框图如图卜2 。它主要由以下几个模块构成：1 、r a d i o ；2 、通信适配器：3 、数字信 号处理器；4 ，p c i 桥；5 、嵌入式p c ；6 、其它外设( 内存、r s 2 3 2 及扩展等) l ”。 图1 - 2 无线接入系统的基本硬件功能框图 其中r a d i o ( 无线) 模块主要负责基带处理以及射频信号的收发。d s p 模块主要负责协议 的处理，p c i 桥实现d s p 与嵌入式p c 的p c i 总线提供无缝接口，嵌入式p c 提供整个 p 平 台的支撑与管理。 课题主要是依据公安网的应用背景和无线接入点系统的功能需求，选择合适的嵌入式操 作系统平台，并依据对无线接入点系统开发所需的功能支持定制可以满足要求专用的嵌入式 p c 系统。鉴于嵌入式系统硬件资源的限制，要求操作系统大小不超过舶，能支持完成与无 线通信相关的基本功能，能提供对于p c i 口的支持。在此基础上，具体设计开发嵌入式系统 上p c i 口的驱动，由于传送的视频图象数据为大量的高速连续信号，因此要求p c i 口的连续 传输数据速率可以达到2 5 m b s 以上。整个接入点系统，能够提供具有差错控制性能保证的 无线数据互联通信；无线接入速率为5 5 m b p s 以上，多点多业务共享，高效动态分配；支持 图像、数据到地面i p 网络p c 终端上的交互通信；在2 4 g 频段上，可以提供3 8 4 k b p s 、2 5 帧秒m p e g 4 数字图像处理和传输功能。 1 4 论文的主要内容 为完成该课题研究与设计，本文主要开展了以下的工作： 首先介绍了无线接入点系统设计时所需要的技术理论原理和需要解决的问题。然后根据 无线接入点系统的总体设计思想及功能提出了无线接入系统的整体方案。再按照设计指标和 需求进行了l i n u x 系统平台的设计，接下来进行了无线接入点软件系统的设计，主要是基于 嵌入式l i n u x ，对于p c i 桥接芯片的p c i 驱动设计，并进行了测试。在此基础一卜提出了对l i n u x 内核进行提高实时性能的改进方法。在此基础上，对接入点无线接入控制及i p 互联功能软 件系统进行j ，具体设计与开发，并进行了组网的测试工作。 东南大学硕士学位论文 最后对本文的工作进行了总结并指明有待于进一步深入研究的方向。 4 第二章无线接入点系统 第二章无线接入点系统 2 1 无线接入点功能 无线接入点c a p ) 是无线接入网络的重要设备。无线接入网络以其组网方便，结构灵活， 特别是对移动主机的支持等特点而备受关注。其中，无线接入点是负责移动主机的管理以及 协调无线与有线网络之间通信的关键部件。a p 的设计应在不修改已有的有线网络结构和不 改变已存在的协议的基础上，将移动主机纳入现有的网络中h 。 无线接入点具有“操作透明性”和“性能透明性”的特点。“操作透明性”指主机移动 前后，用户并不需进行特殊操作便可重新对网络参数的进行配置；而“性能透明性”指的是 主机的通信性能并不因主机的移动而受影响。 a p 的典型应用环境如图2 - 1 所示。a p 和与其直接通信的移动主机( m t ) 组成小区c e l l ， 小区中的移动主机经过a p 与有线l a n 相连并接入i n t e r n e t 。移动主机可在不同小区问移动， 也可在不同m 子网间移动。a p 的功能主要为桥接功能，包括了对数据包的存储、转发以及 过滤。此外a p 还负责对本小区的管理，包括登录、主机认证、移动性能管理等p j 。 c 创 c 酬2c e i in 图2 - 1a p 的典型应用环境 在本项目中，系统将需要覆盖的范围分成多个小区，小区内的业务包括视频、话音、数 据等，移动终端( m t ) 通过无线方式接入到小区的接入点( a p ) ，m t 在各小区间可实现漫游。 所有的a p 采用地面有线宽带网络( w a n ) 互联，并将业务信息汇聚到系统控制中心( s c c ) ， 系统控制中心( s c c ) 对各个小区起监控和调度的作用。移动主机( 盯) 的接入完全由接入 点a p 集中控制，a p 根据小区内无线资源的使用情况，终端承载业务的优先级和要求的q o s 完成接纳控制，分配网络资源等功能。 由此我们可以看出，在对无线接入点系统进行设计的时候，从功能上，我们需要a p 可 以完成m t 与网络的互连，同时还要负责本小区的管理与控制，包括t 的登陆、移动性管理、 5 东南大学硕士学位论文 位置管理、越区切换管理等嘲。硬件选择上，考虑到视频业务的数据流很大。硬件平台设计 时要重点考虑系统实时性以及对于高速数据交换的要求。 ， 2 2 无线接入点嵌入式软件系统 为了实现无线接入点系统功能，我们设计了相应的功能模块，具体的模块设计图以及各 功能模块与接口之间的关系如图2 - 2 所示【”。 管理功能模块 l 桥接功能模块l 数据库|i 移动管理模块l j ej | 有线罔络接口j 无线网络接口 图2 - 2 无线接入点系统的功能框图 其中，管理模块主要负责对移动主机的管理，包括移动主机的登录、重登录、登录删除 等等，还包括了对桥接模块以及散步管理模块的控制与控制。 移动管理模块主要负责的是对散步的管理，同时对漫游提供支持。在同一子网中，如果 移动主机接受到的信标帧或探询回应帧中的时间值与它自己的时间值不同，则采用接受到帧 中的时间值和信标期间值及b s s _ i d 。其中b s s _ i d 是用来区分的标识，通常取本小区的a p 地址。所以b s s _ i d 的不同也就意味着小区不同。当移动主机( m t ) 接收到的b s s - i d 和它本 机的b s s i d 不一致时，说明它已移动到另外的小区中。在新的小区中，移动主机首先向a p 进行重登录，重登录帧中含有移动主机原先的b s s i d ，a p 接收到其重登录请求后，将移动 主机加入到自己的管理数据库中，同时通知移动主机原来的a p 。使其将离开本地小区的移 动主机从管理数据库中删除，从而实现a p 对移动主机的散步管理。 桥接模块主要用来提供桥接功能，在m a c 层要实现项目所设计开发的专用无线综合业务 q o s 接入控制与局域网之间的通信联系，必然需要网桥功能。m a c 层网桥主要是用来实现不 同局域网之间的数据帧的存储、转发以及过滤，以达到不同局域网之间直接通信的目的。桥 接模块是项目中需要重点考虑的地方。因为公安专用网中视频业务对于高速数据传输能力的 需求很高，因此，系统的实时性非常重要。而桥接模块负责了与有线阿络连接的主要任务， 是d s p 与p c 连通的主要纽带，是整个系统效率的关键点，因此在对桥接芯片驱动设计时候， 我们首先要重点考虑操作系统的实时性能力，从而尽量提高驱动的通信速率。 6 第二章无线接入点系统 2 3 无线接入点嵌入式硬件系统 无线接入点系统的嵌入式硬件系统需要实现无线终端与i p 网络的互联功能。具体的基 本硬件功能模块框图如图2 - 3 所示，主要由以下几个部分构成：l 、r a d i o ( 基带处理及射频 收发) ；2 、通信适配器( c p l d ) ；3 、数字信号处理器( t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 ) ；4 、p c i 桥( p c l 2 0 4 0 ) ； 5 、嵌入式p c ；6 、其它外设( 内存、r s 2 3 2 及扩展等) 。 图2 - 3 无线接入系统的基本硬件功能框图 其中，r a d i o 模块主要负责基带处理以及射频信号的收发，d s p 负责对系统接收到或待 发送的数据进行处理的功能。嵌入式p c 提供整个a p 平台的支撑和管理。p c i 桥接芯片实现 d s p 与p c 的连接功能。 射频模块我们使用的是r f m d 公司的套片，主要由r f 3 0 0 2 和r f 2 9 5 8 组成。r f 3 0 0 2 是完 整的基带调制扩频芯片，可以采用p s k ，c c k 调制。 d s p 芯片我们选择t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 芯片。t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 具有丰富的外围接口和 片上资源，有利于降低系统的设计难度，同时也利于今后功能的扩展。同时，c 5 5 x 在c 5 4 x 结构上作了相当大的扩展，程序执行时可以大量采用并行处理，这样使得c 5 5 x 的实际运算 能力可以达到3 0 0 m i p s 以上。这能够满足我们对高速数据交换的要求。并且，c 5 5 x d s p 能够 满足实时系统操作，可以更有效的执行协议。 在d s p 与i l f 模块之间增加c p l d 模块是因为：在与r f 模块进行通信时，d s p 侧使用的 是多通道缓冲串口( m c b s p 接口) 来完成主要的控制和数据传输。而d s p 的m c b s p 接口的数 据收发时序和r f 3 0 0 2 的数据收发时序不一致，需要c p l d 进行匹配，数据接口示意图如图 2 - 4 所示。 h c b s p ld a t a c l k ( d c l k ) li c l k ( w x ) r f 3 0 0 2 t ( t ( r ，) r x ) r d e a a t 吖a c p l d ；d ( r x ) d s p ! f s ( r ) i 图2 - 4c p l d 数据接口匹配信号图 嵌入式p c 模块是整个硬件系统的核心，它提供了对整个a p 平台的支撑和管理。它主要 ， 东南大学硕士学位论文 由存储卡、以太网口以及p c i 接口组成。存储卡是整个嵌入式p c 的核心，我们将嵌入式操 作系统放在存储卡中，提供对整个嵌入式p c 的管理。在嵌入式操作系统选择时，由于嵌入 式p c 的存储卡空间大小有限，选择的嵌入式操作系统体积不能太大，控制在4 m b 以内。同 时，嵌入式p c 的以太网接口要能够完成有线链路与i p 网络的连接，选择嵌入式操作系统时， 要注意对网络功能的支持。最关键的是，为了满足视频业务对于高速数据连续传输能力的需 求，嵌入式操作系统的实时性十分重要。最后，考虑到p c i 总线可以独立于处理器并且可以 满足系统对于高速数据交换的要求，我们利用p c i 总线进行嵌入式p c 与o s p 之间的通信。 最后，为了连接d s p 处理器与p c 的p c i 总线接口，我们需要选择合适的p c i 接口芯片。 我们选择的是t i 公司的p c l 2 0 4 0 芯片。其 部结构图如图2 - 5 。 图2 - 5p c i 2 0 4 0 内部结构图 p c i 2 0 4 0 是一个p c i - i ) s p 桥接器件，它提供了p c i 局部总线和i s 3 2 0 c 5 4 x8 位主机接 口( h p i ) 与埘s 3 2 0 c 6 x1 6 位主机接口的无缝连接。 在我们的设计中，在主机p c 侧的选择是p c i 接口。在d s p 侧则是选择了 i p i 接口，通 过桥接芯片p c i 2 0 4 0 完成与p c 主机p c i 接口的无缝相连。 2 4 无线接入点嵌入式操作系统 在上一节我们可以看到，嵌入式p c 对于嵌入式操作系统在体积，实时性等方面要求很高， 同时在公安专用网这个项目中，主要的业务应用都是为公安系统服务的，因此这些应用对操 作系统在安全性性、稳定性等方面也有很高的要求。下面我们主要从安全性、稳定性、体积、 成本以及实时性来选择合适的操作系统。 8 第二章无线接入点系统 目前主流的操作系统有两个，一是w i n d o w s 操作系统，另一个是嵌入式l i n u x 操作系统。 从安全性能上来看，l i n u x 作为公开源代码的系统，有大量的技术人员和电脑爱好者注 意着对它的漏洞的发现和修补，因此l i n u x 系统的安全性得到了极大的保证。而w i n d o w s 系统 主要m i c r o s o f t 自身提供系统的更新与升级，因而内核方面存在着大量不易发现的安全性隐 患，除此之外，它的用户界面( u i ) 以及应用软件也存在大量的漏洞。更深一步来说，由于 w i n d o w s 的技术完全被m i c r o s o f t 所垄断，因此对于除美国以外的其他国家来说，使用l i n u x 还具有国家安全上的优势。这也是近期中国，法国，韩国等国政府在采购操作系统时均作出 了有利于l ， n u x 的决定的原因之一。 从稳定性上来看，l i n u x 系统内核的稳定性是众所周知的，特别是从用户界面来看，因 为w i n d o w s 和它的用户界面是无法分开的，用户界面死了，对用户来说就相当于操作系统死 了，而l i n u x 则不同，用户界面死了常常还可以用热键退出。并重新启动用户界面。因此， 在稳定性上l i n u x 也要胜于i n d o w s 系统嗍。 从对硬件的需求，即成本上来看。每一代的w i n d o w s 都对系统配置提出了新的要求，以 w i n d o w sv i s t a 为例，w i n d o w sv i s t a 苛刻的系统配置要求使得几乎所有两三年以上机龄的机 器都必须经过相当程度的硬件改良才能安装。而l i n u x 虽然也同样在逐步提高对硬件配置的 要求，但由于其优越的模块结构，使得用户有极大的自由度根据自己机器的配置调整自己所 需安装的模块，从而突破对硬件配置的要求。 从体积上来看，l i n u x 系统具有开放的源代码，我们可以根据自身项目的特殊需求，裁 减系统平台大小。使操作系统可以满足项目对功能、体积和功耗等各方面的要求。 从实时性来看，这其实是l i n u x 的一个弱点，因为l i n u x 的本质是非实时性操作系统【9 】。 如图2 咱，利用不同的显卡对l i n u x 和w i n d o w s 系统进行实时性测试，我们发现l i n u x 在实时性 的表现上是不如w i n d o w s 的，然而随着内核版本的不断更新，l i n u x 系统与w i n d o w s 系统在实 时性上的差距已经越来越小。而且l i n u x 系统具有开放的源代码，我们可以通过对内核的改 造，有针对性的提高l i n u x 系统的实时性能力。 9 东南大学硕士学位论文 图2 - 6l i n u x 与w i n d o w s 实时性测试比较 综上，我们可以看到，在公安专用网这个特殊的项目背景下，l i n u x 系统在安全性、稳定 性、体积以及成本等方面都胜于w i n d o w s 系统。而在实时性上，l i n u x 也有较大的改进空间 因此，l i n u x 系统是比较合适的选择。 1 0 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 3 1l i n u x 系统设计 根据上一章的介绍，我们选择了嵌入式l i n u x 系统作为项目的平台，然而现有的l i n u x 系 统无法满足我们对于嵌入式p c 在体积大小，功能等方面的特殊需求，因此我们需要结合公安 专用网的需求定制开发专有的l i n u x 平台。 一个嵌入式l i n u x 系统需要下面基本元素：引导程序、l i n u x 微内核( 由内存管理、进程 管理和事务处理构成) 和初始化进程。在公安网的项目里，出于节省成本的目的，我们希望 可以将l i n u x 系统的体积控制在4 m b 以内。而l i n u x 系统小型化过程主要包括了两个方面，一 是l i n u x 内核的编译，一是l i n u x 文件系统的缩小。 3 1 1l i n u x 内核编译 l i n u x 内核是可以根据特定的要求进行定制的l l o ”】。我们使用的是2 6 1 2 的内核，为了 定制出适合我们项目要求的嵌入式l i n u x 系统，首先我们在u s r s r c l i n u x 目录下，使用 m a k em e n u e o n f i g ，把无须用到的选项全部拿掉。如软驱、光驱等，在无线接入点系统中， 我们无须用到它们，因此，在内核中去掉对于软驱( f l o p p y ) 、光驱( c d r o m ) 的支持选项；s e c o n d e x t e n d e df s ( e x t 2 ) 是实际上的l i n u x 文件系统的标准，所以除了此项，把对其他所有 f i l e s y s 2 t e m 的支持去掉；a p 不需要发声，则不要声音( s o u n d ) 的支援；去掉所有的字符设 备( c h a r a c t e rd e v i c e ) 等。 然后，在去除无用选项的同时，根据a p 一些特定功能的要求，在内核中留下对需要的驱 动的支持 主要有： 1 ) 保留对网络的支持( n e t w o r ks u p p o r t ) ，因为a p 连接无线网络与有线网络，是网络的 产物。主要要保留对t c p i p 协议的支持，保留对以太网卡的支持。同时要在内核中设置模块 项； 2 ) 在内核中保留对特定功能的支持，如p p p ( 点对点协议) 等。 具体的内核编译过程如f ： 首先进入图形界面的内核配置 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 代码成熟度选项 打开使用开发中、不完全的代码驱动会让内核配置多出很多选项，由于我们需要使用一些 正在开发中的功能，因此必需打开这一选项。 ( 2 ) 通用设置选项， 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 这里主要是对系统的一些通用性设置进行配置，包括了是否使用交换分区或者交换文件 来做为虚拟内存，是否允许用户进程访问内核等，其中比较重要的有三个选项： s u p p o r tf o rh o t - - p l u g g a b l ed e v i c e s ：这是是否支持热插拔的选项，肯定要选上。 然u s b 、p c m c i a 等这些设备都用不了。 0 p t i m i z ef o rs i z e ：这个选项使g c c 使用_ o s 的参数而不是一0 2 的参数来优化编译， 获得更小尺寸的内核，我们需要的正是体积更小的操作系统，因此要将此选项选上。 不 以 东南大学硕士学位论文 u s ef u l ls h m e mf i l e s y s t e m - 当内存很小时，使用交换内存，选上。 ( 3 ) 可加载模块， 这里主要是对l i n u x 模块化管理的支持，l i n u x 系统模块化功能是非常重要且关键的应 用，在公安网的项目里，我们十分在意操作系统的体积以及实时性等功能，如果把对所有功 能的支持都放到操作系统内核里，那么控制系统的核心程序一系统内核就会变的非常大而且 笨拙。同时，如果我们把自己编写的功能模块、设备驱动模块以全部编进内核的方式工作将 会大大增加k e r n e lp a n i c 的机率。这对系统的稳定性要求是个巨大的影响。 因此我们要合理的对l i n u x 系统进行模块化配置，将常用的功能放在内核之内，提高运 行速度，而将一部分不常用的功能模块以动态模块加载，从而减小系统体积。这样做可以使 得内核的大小和通讯量都达到最小。 ( 4 ) p c i 总线类型， 1 4 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 p c i 是采用高度综合化的局部总线结构1 1 2 】，其优化的设计可充分利用今日最先进的微处 理器及个人电脑科技。它可确保电脑部件、附加卡及系统之间的运作可靠，并能完全兼容现 有的i s a e i s a m i c r oc h a n n e l 扩充总线。具体而言，p c i 局部总线包含如下特点： 1 高性能 p c i 局部总线2 0 版以3 3 1 删z 的时钟频率操作，采用3 2 或6 4 位数据总线，可支持多组外围 部件及附加卡，2 1 版增加了对6 6 m h z 总线操作的支持。3 2 位p c i 总线在读写传送中支持每秒 1 3 2 m b 的峰值传送速率，6 4 位p c 工传送支持每秒2 6 4 m b 峰值传送速率。对于6 4 位6 6 姗z 的p c i 总线，传送速率可达到每秒5 2 8 1 4 b 。 2 线性突发传输 p c i 能支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。外围设备一 般从内存地址顺序接收数据，这种线性或顺序的寻址方式，意味着可以从某个起始地址读写 大量数据，然后每次只需将地址自动加1 ，便可以接收数据流内下一个字节的数据。线性突 发传输能够更有效地运用总线的带宽去传输数据，以减少无谓的地址操作。 3 极小的存取延误 支持p c i 的设备，存取延误小，能够大幅减少外围设备取得总线控制权所需的时间 4 采用总线主控和同步操作 p c i 的总线主控和同步操作功能有利于p c 工性能的改善。总线主控是大多数总线都具有 的功能，目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、 高优先级的任务。p c 工独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作， 不必等待后者的完成。 5 独寺于处理器 1 5 东南大学硕士学位论文 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统 与外围设备分开。有了缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围设备，以扩展电脑系统而不 必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。 6 兼容性强 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此它与i s a 、e i s a 及m c a 总线完全兼容。 这种兼容能力保障了用户的投资，让用户在继续使用沿用的附加卡之余。又能提供额外的插 槽，方便用户选用新的外围设备。 7 预留了发展空间 p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，它支持6 4 位地址数据多路复用，可将系统的 数据传输速率提高到5 2 8 胁s 。同时，p c i 插槽能同时接插3 2 位和6 4 位插卡。p c i 还提供了自 动配置功能，从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线1 1 3 l 。 8 低成本、高效益 p c i 的芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路。耗用较小的线路板空间。成本 降低。 9 软件透明 在与p c i 设备或面向扩展总线的同类设备通信时，设备驱动程序使用相同的命令集和状 态定义。 正是基于p c i 的这些优势，我们选择p c i 总线作为嵌入式p c 与d s p 的连接接口，因此， 我们需要在内核配置里加上对p c i 总线的各类支持。 ( 5 ) 文件系统 1 6 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 如本小节一开始所说，s e c o n de x t e n d e df ss u p p o r t 是标准的l i n u x 文件系统，我们将 它编译进内核，去除其他无用的文件系统支持。 配置完成后，重新编译内核。然后修改l i n u x 系统引导器l i l o 的配置文件并最后以新编 译的核作为启动内核。重启计算机一切运行正常，精简内核的工作完成。 3 1 2 缩小l i n u x 文件系统 嵌入式l i n u x 本身是一种操作系统1 1 4 ，它的主要任务是管理计算机上的系统资源，为用 户提供使用计算机及其外部设备的接口，它存在的目的是为了管理所有硬件资源，并且提供 给应用软件一个合适的操作环境，因此在对嵌入式l i n u x 系统进行大幅度的删除、缩小的 同时也要保留一些基本的命令与目录。 这些保留的命令与目录大体可分为三类：一类是l i n u x 系统启动所需要的；另一类是用 于完成一些系统基本功能的；最后一类就是使a p 能够正常工作的。 l i n u x 启动进程是从内核把自己装入到内存中开始的，内核检查硬件并加载根设备，然后 调用i n i t 进程，i n i t 是运行在l i n u x 上的其他进程的父进程，它检查一切子进程并在必要的 时候将它们启动或是关闭，i n i t 从e t c i n i t t a b 中获取启动信息，i n i t t a b 文件决定启动运 行、指向e t c r c d 下的名为r e 的启动脚本并为s b i n g e t t y 处理登录l i n u x ( 1 0 9 i n ) 提 供入口。可见此类重要的命令有：i n i t 、g e t t y 、l o g i n ，重要的目录与文件有：e t c r c d ， e t c i n it t a b ，e t c p a s s w d 等； 第二类的保留命令与目录就是实现一些特定功能的，最简单的如拷贝命令c d 进入和跳 出目录的命令c d ，列举目录下内容的命令1 s 等，这些命令完成操作系统最基本的功能；另 1 7 东南大学硕士学位论文 一些命令需要与特定的配置文件或是存放配置文件的目录相对应，完成相对特殊的功能，如 要使得l i n u x 下能够通过m o d e m 拨号上网，就需要使用p p p 协议，并通过命令p p p d 完成主机 与i s p 的联系，p p p d 运行时所需要的脚本配置文件都放在e t c p p p 的目录下，所以此时命 令p p p d 与它的对应目录( 或是脚本文件) 是缺一不可的。 、 完成上面的裁剪工作后重启，l i n u x 能够正常启动、运行，表明初步的l i n u x 嵌入式系 统已经构架成功，这样就要完成a p 在此上面的实现，以真正体现嵌入式系统以应用为中心的 原则。a p 是将a p 驱动程序中已编译好的目标文件( 0 文件) 作为模块加载到系统中而启动的 ( 具体的驱动开发我们将在下一小节中给出) ，l i n u x 提供了象d e p m o d 、i n s m o d 、r m o d 及 其他一些命令来保证适当的模块以正确的顺序加载，所以系统中必须保证存在这些命令。同 时 p 启动时还要读取配置文件，所谓配置文件就是为了方便用户修改相应的参数，如：a p 的 s s i d 、a p 的信道号等等，所编制的简单的脚本文件，这些配置文件通知a p 的驱动程序相关参 数的设置，所以配置文件所在的目录e t c p c m c i a 要保留。有了这些以后。a p 就能正常启动 了。另外a p 的目标文件在a p 关闭后将被自动卸载掉。 最终实现a p 的嵌入式l i n u x 系统大约由以下几个目录组成： a b i n ：包含用户的使用命令，如c p 、i s 、i m 等等，可以根据情况对原系统的命令进行 增删； b b o o t ：包含压缩的内核映象及一些启动必备的文件； c d e v ：包含系统所需要的设备文件，是l i n u x 设备输入、输出所需要的，可以用命令 m k n o d 或是m a k e d e v 来产生它们，在嵌入式系统中只需要包括需要的设备文件； d e t c ：包含系统所需要的各种配置文件； e 1 i b ：包含执行命令所需要的共享库，命令i d d 可以告诉我们有那些库会动态的连接到 某一个正在执行的命令上，这样可以只将需要的1 i b 库拷入； f m n t ：此目录一般为空： g p r o c ：是个空目录，启动时内核将系统状态文件放入此目录中，是p r o c 文件系统所需 要的目录； h s b i n ：包含系统命令。如i n i t 、g e t t y 、r e b o o t 等，有些命令会影响到整个系统； i v a r ：包含一些a p 启动时所需要的日志文件； j u s r ：放有另外一些必须的命令，在目录u s r s b i n 及u s r b i n 中。 这样，在4 l i 左右存储容量的嵌入式l i n u x 中顺利完成了无线接入点系统开发所需要的 所有系统功能支持。 3 2l i n u x 设备驱动程序框架 作为有线网络的接口设计，在a p 与嵌入式系统( p c ) 相连的基础之上，需要考虑的出发 点是在不需要数字信号处理器过多参与的情况下完成数据的高速传输。在第二章我们方案选 择时，在主机p c 侧选择的是p c i 接口，而在9 s p 侧则是选择了h p i 接i ，并通过t i 公司的 1 8 第三章嵌入式l i n u x 系统设计 桥接芯片p c i 2 0 4 0 完成与嵌入式p c 主机p c i 接口的无缝相连。 因此，在完成了嵌入式l i n u x 系统平台的定制之后，我的下一步工作就是针对p c i 2 0 4 0 桥接芯片，开发它在l i 肌x 系统下的驱动程序。 首先我们要对l i n u x 驱动程序框架有一定的了解。 3 2 1 设备驱动程序功能 在l i n u x 环境下，所有的外设都被看成是文件，叫“设备文件”。系统调用是内核和应 用程序之问的接口，而设备驱动程序则是内核和外设之间的接口。设备驱动程序为应用程序 屏蔽了外设硬件的细节，这样在应用程序看来，外设只是一个设备文件，应用程序可以象操 作普通文件一样对外设进行操作。 设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能： ( 1 ) 对设备初始化和释放，包括识别设备、注册设备、创建设备文件、分配资源等。 ( 2 ) 实现对设备文件的各种操作，为操作系统内核提供对设备进行操作的方法，包括打 开和关闭设备、对设备进行读写和控制等操作。 ( 3 ) 中断处理，包括识别中断、唤醒睡眠进程、更新d i l a 缓冲区等处理。 3 2 2 设备驱动程序接口 l i n u x 中