（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络汇聚节点设计及其网络安全技术研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络技术是- f - j 多学科交叉的新技术，是传感器技术，嵌入式 系统技术，无线通信技术和分布式计算技术飞速发展的产物，拥有巨大的应用 和科研价值。 无线传感器网络按节点功能可以分为传感器节点、汇聚节点和管理节点三 种。其中汇聚节点是整个网络的枢纽，在传感器网络中具有及其重要的作用。 虽然目前围内对无线传感器网络研究发展很快，但是对汇聚节点的研究却比较 少。因此提供一种汇聚节点的解决方案，并对其相关技术进行深入研究是很必 要的。 无线传感器网络的汇聚节点的结构是一个以特定应用为中心的典型嵌入式 结构。本文根据对汇聚节点的特点和功能分析，结合嵌入式系统技术，研究和 分析了汇聚节点软硬件平台的选择依据和设计原则。最终给出了一种基于a r m 9 架构和l i n u x 操作系统的无线传感器网络汇聚节点的设计方法，完成了汇聚节点 的硬件电路设计、l i n u x 操作系统的移植、驱动开发和应用软件各功能模块的实 现，并取得较好的实验效果。 汇聚节点一般可以通过i n t e m e t 网络与管理节点通信，但是i n t e m e t 提供的 开放性网络环境并不能保证汇聚节点通信的安全性。对于无线传感器网络这样 的专用网络，传输数据的不安全可能会造成毁灭性的后果。本文针对无线传感 器网络的安全问题，借鉴i n t e m e t 网络安全通信技术，采用o p e n s s l 实现了无 线传感器网络汇聚节点与管理节点的安全通信。 关键词：无线传感器网络汇聚节点a r m 9 l i n u x o p e n s s l a b s t r a c t ab s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa ni n t e r s e c t i n gt e c h n o l o g yo fm u l t i s u b j e c t s ，w h i c h h a sa g r e a tv a l u eo ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i t so c c u r r e n c ei sa t t r i b u t e dt o t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fn o d e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc a nb ed i v i d e di n t o t h r e et y p e s ，s e n s o rn o d e s ，s i n kn o d ea n dt a s km a n a g e rn o d e s i n kn o d ep l a y sa v e r y i m p o r t a n tr o l e ，w h i c hi st h eh u bo ft h ew h o l en e t w o r k a l t h o u g ht h ed o m e s t i c r e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sd e v e l o p e dq u i c k l y , t h er e s e a r c ha b o u ts i n k n o d ei sv e r ys c a r c e s oi ti si m p o s s i b l et op r o v i d eas o l u t i o nf o rs i n kn o d ea n df u r t h e r s t u d yt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sa b o u ti t s i n kn o d ei sa s p e c i a lc o m p u t e rs y s t e mf o rs p e c i a la p p l i c a t i o n ，w h i c hm e e t st h e c h a r a c t e r i s t i c so fa 够p i c a le m b e d d e ds y s t e m i ti s i m p l e m e n t e db a s e do nt h e e m b e d d e ds y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs i n k n o d e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n di n t r o d u c e st h es e l e c t i o nb a s i sa n dd e s i g np r i n c i p l e so f t h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sad e s i g n s c h e m eo fs i n kn o d eb a s e do na r m 9s t r u c t u r a lc p ua n dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n d a c c o m p l i s h s t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n , t r a n s p l a n t a t i o n o fl i n u x o s ，t h e d e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o n s i n kn o d eu s u a l l yc o m m u n i c a t e sw i t ht h et a s km a n a g e rn o d ev i ai n t e r n e t ，b u t t h eo p e ni n t e r a c te n v i r o n m e n tc a n te n s u r et h es e c u r i t yo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nt h e m f o rt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，i n s e c u r i t yo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n m a ye n g e n d e rt h ed e v a s t a t i n gc o n s e q u e n c e s t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ee m b e d d e d n e t w o r ks e c u r i t y , t h i sp a p e ru s e so p e n s s lt o a c c o m p l i s ht h en e t w o r ks e c u r i t y c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i n kn o d ea n dt a s km a n a g e rn o d e k e yw o r d s ：w s ns i n kn o d ea r m 9l i n u x o p e n s s l i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入 南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h u n 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字； 2 0年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外；本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第一章引言 第一章引言 第一节无线传感器网络概述及其研究现状 1 1 1 无线传感器网络概述 以传感、计算机、微电子和通信技术为核一t l , 的信息技术的高速发展将人类 带到了一个全面信息化的时代。信息技术不仅仅大大提高了社会生产力的发展 速度，而且对社会结构和人们的生活方式有着极其深远的影响。作为信息技术 的源头，信息获取是信息化的基石，没有它就不可能有信息的传输、处理和应 用，也就不可能有信息化。传感器技术是最重要也是最基本的信息提取技术。 传感器负责将现实中的自然变量转换成可供测量的信号。随着传感器技术的发 展和信息化社会的需求，由大量的具有多功能、多信息获取能力的传感器通过 无线的方式构成的无线传感器网络引起了人们极大的关注。越来越多国家的军 事部门、工业界和科学界在无线传感器网络相关技术和理论的研究的中投入大 量的人力和物力。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是最新兴的下一代传感 器网络，是由部署在监测区域内的大量以a d 。h o c 方式构成无线网络的传感器节 点组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的 信息，并发布给观察者 1 1 。1 9 9 9 年在美国举行的移动计算和网络国际会议上，提 出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。而美国t e c h n o l o g y r e v i e w ) ) 和商业周刊更是对无线传感器网络推崇备至，前者将无线传感器 网络摆在了人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首的地位，后者则认 为无线传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。 无线传感器网络能够使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量 详实而可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念【2 】。可以被广泛地应用在 国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有 巨大的应用价值。同时无线传感器网络技术是- f - j 多学科交叉的新技术，它的 研究领域几乎覆盖了整个信息技术领域，包括传感器技术，嵌入式系统技术， 第一章引言 无线通信技术和分布式信息处理技术等，拥有巨大的科研价值】【3 】。 1 。1 。2 无线传感器网络研究现状 由于无线传感器网络的巨大应用和科研价值，世界上许多国家和一些信息 工业界巨头对其给予了高度的重视，纷纷设立或启动了相应的研究计划。例如 美国自然科学基金委员会在其2 0 0 3 年度的自主的专题中，拨款3 4 0 0 万美元用 于传感器与传感器系统及网络的研究。美国国防部在这方面的投入更为巨大， 先后启动了c 4 k i s r 、s m a r ts e n s o rw e b 、灵巧传感器网络通信、无人值守地面 传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统c e c 等计划。在其它国家和地区， 如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作。 一些拥有强大技术优势的跨国公司如英特尔也于2 0 0 2 年制定了基于微型传感器 网络的新型计算发展规划 1 j 。我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与 发达国家同步启动。无线传感器网络研究作为信息与自动化领域提出的五个重 大项目之一，1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向 研究的研究报告中。国内许多科研机构和高校都已经开展了相关领域的研究， 一些高科技企业例如中兴，华为等也逐渐加入无线传感器网络的研究行列当中。 2 0 0 6 年2 月发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要更是体现了国家对 无线传感器网络这项对未来社会产生巨大影响的新技术的重视1 4 j 。 人们的广泛关注和大量科技、资金的注入，使得无线传感器网络各个相关 技术都取得了一定的发展和应用。英特尔公司和加利福尼亚大学领导的由“微 尘”( m o t e ) 构成的无线传感器网络已经成功运用在工业测控、医疗卫生等多个 领域。美国d u s t n e t w o r k s 公司在e l e c t r o n i c a 大会上发布了世上首个无线传感器网 络系统级芯片( s o c ) 。d u s tn e t w o r k s 在这张名为“智能尘埃”的芯片上集成了构建 分配式传感器网络所需的所有硬件和软件功能。美国的c r o s s b o w 公司和日本日 立等公司也都开发出了自己的用于各种自动控制、位置跟踪和环境监测等领域 的无线传感器网络产品。理论研究上，无线传感器网络技术和通信协议以及一 些感知数据查询处理技术的研究上也有了一定的进展。美国加州大学伯克利分 校研发出用于无线传感器网络的嵌入式操作系统t i n y o s ，美国本特利内华达发布 t r e n d m a s t e rp r o 操作系统 5 1 。在国内，经过多年的努力我国已初步建立了传感器 网络系统的研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节 2 第一章引言 点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，许多企业也拥有了自己的无线传 感器网络产品，一系列无线传感网络成果已经初步投入应用。2 0 0 8 年6 月，首 届国际传感器网络标准化大会在上海召开，我国代表团向大会提交了传感器网 络标准体系框架和系统构架等8 项技术报告。这标志着我国在该新兴信息领域 的技术处于国际前列，在国际标准化中享有重要的话语权 6 1 。 第二节无线传感器网络结构及特点 1 2 1 无线传感器网络结构 典型的无线传感器网络如图1 1 所示，一般由传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇 聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 组成。大量的传感器节点随机 的、密集的分布在整个监测区域内，它们之间以自组织的方式组成无线网络， 将自己所监测的数据经过多跳路由后发送到汇聚节点【7 1 。汇聚节点是整个无线传 感器网络的枢纽，相当于移动通信领域中的基站，是保证传感器网络与外部网 络协调工作以完成更强大的功能的关键。它将从前端传感器节点接收的各种监 控信息进行必要的处理后通过i n t e m e t 或者卫星发送之管理节点，同时接收管理 节点的命令，监测和控制整个无线传感器网络的健康运行。用户可以通过管理 节点实现对整个无线传感器网络的管理，发布控制命令、获取和分析监控数据。 s e n s o rf i e l d s e n s o rr t o d e s 图1 1 无线传感器网络的组成f 7 l 传感器节点通常是一个功耗极低，处理能力和通信能力有限，成本低廉的 3 第一章引言 微机系统。它同时具有数据采集和路由选择功能。汇聚节点的处理能力和通信 能力相对较强，是个功能强大的嵌入式系统，由于汇聚节点可以放置在离监 控区域较远的地方，因此对能耗要求没有传感器节点那么苛刻。它具有连接不 同网络的功能，因此需要嵌入不同网络的协议栈。管理节点可以是处在i n t e m e t 网络中的一个终端或服务器，一般应该具有强大的数据处理能力，能够从前端 传感器网络传送过来的大量数据中提取出各种有用的信息。 1 2 2 无线传感器网络特点 无线传感器网络与传统的网络有着明显的不同，并不是简单的i n t e m e t 技术 和a d h o e 路由技术的结合。尽管已经有很多的协议和算法应用于传统的a d h o e 网络，但是它们并不能满足传感器网络的需求。传感器网络是以数据为中心的， 而传统网络是以传输为目的的。相对于传统a d h o c 网络，无线传感器网络有如 下几个特点【3 l t l 8 l 9 1 1 1 0 1 ： ( 1 )无线传感器网络是一个和应用紧密相关的网络。不同应用下节点的软 硬件平台和通信协议可能千差万别。 ( 2 )无线传感器网络中传感器节点的数目十分巨大( 可能比传统a d - h o c 网络的高几个数量级) ，空间分布十分密集，因此传感器节点成本一 般很低，从而造成传感器节点的处理能力，存储能力和通信能力十分 有限。同时由于传感器节点特别多造成网络内可能并不是所有节点都 有自己的全局i d 。 ( 3 )无线传感器网络一般都部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，人工 维护非常困难，因此传感器节点对功耗和稳定性要求很高。 h )对于单个传感器节点很容易出问题退出网络，而新的节点也可能因为 需要加入网络，同时由于网络在运行时各个节点的能量消耗不同，而 改变网络的拓扑结构，因此无线传感器网络的拓扑结构变化频率非常 快。 ( 5 )传统的a d h o e 网络通信时遵循的是“端端 的思想，而无线传感器 网络节点间通信主要采用广播方式。每个节点由于通信距离有限，只 能和通信范围之内的节点通信，要想和通信范围之外的节点通信必须 经过多跳的方式，因此每个节点不仅要具有数据传输功能，还要具有 4 第一章引言 数据转发功能。 第三节论文的主要内容及组织结构 本论文是来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“多维多参量光 纤光栅无线传感器网络系统研究”( 项目编号2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) 。在这篇论文中， 分析了多维多参量光纤光栅无线传感器网络中汇聚节点的特点和功能，给出了 一种基于a r m 9 架构和l i n u x 操作系统的无线传感器网络汇聚节点的设计方法， 并研制出了系统样机，同时对汇聚节点i n t e m e t 网络安全通信进行了比较深入的 研究。论文主要涉及到了无线传感器网络汇聚节点的设计需求分析，嵌入式系 统软硬件设计与实现和i n t e m e t 网络安全通信的相关研究。 根据论文的研究内容，结构安排如下： 第一章：引言。主要介绍了无线传感器网络的发展历史、研究现状、网络 架构和特点以及本文的主要内容和结构安排。 第二章：无线传感器网络汇聚节点的总体设计。详细介绍了汇聚节点软硬 件解决方案，硬件平台和软件平台的选择等。 第三章：汇聚节点硬件平台实现。包括系统硬件电路各部分的功能分析和 具体实现。 第四章：汇聚节点的软件平台实现。包括系统b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核和文 件系统的移植以及硬件驱动开发等。 第五章：汇聚节点的软件功能实现和利用o p e n s s l 进行i n t e m e t 网络安全 通信技术的研究。 第六章：汇聚节点系统测试。 第七章：总结与展望。 5 第二章汇聚节点的总体设计 第二章汇聚节点的总体设计 第一节汇聚节点的功能和特点 无线传感器网络的结构和应用特点决定了它不是一个单独的网络系统，必 须与外部网络协调工作，以实现更为强大的功能。作为内外网络连接的桥梁， 汇聚节点性能的好坏，功能的是否完善就直接决定了整个无线传感器网络的性 能。 汇聚节点的基本功能就是接收前端传感器节点传来的大量监控数据并进行 处理和发送到管理节点，同时接收管理节点的命令，实现对整个传感器网络的 监控。汇聚节点这些功能决定了其必须具有以下几个特点f 4 j 【7 j f j ： ( 1 )具有很强的控制能力。整个网络中可能拥有成千上万个传感器节点， 而汇聚节点作为传感器节点与外界联系的唯一通道，需要有足够的能 力管理和监测整个无线传感器网络的运行。 ( 2 )具有较强的数据处理能力。汇聚节点需要对前端传感器节点发送过来 的大量监控数据进行必要的分析汇总，有时为了保证数据的安全和节 省通信带宽，还要进行加密和压缩等预处理。因此汇聚节点要有比较 强的处理能力才能胜任。 ( 3 )具有较强的数据存储能力。数据在向管理节点传输的过程中可能造成 数据的丢失或出错，因此汇聚节点需要将接受到的监控数据存储在本 地存储器，以备在需要的时候使用。同时如果将汇聚节点设计成 w e b s e r v e r 形式时，所有的数据都需要本地存储，对存储能力的要求 更高。 ( 4 )具有较稳定的通信能力，较宽的带宽。汇聚节点在和汇聚节点通信时 需要传输大量的数据，而且汇聚节点所处环境要比传感器节点要好很 多，因此在和管理节点通信时可以采用更加稳定、可靠的方式，通常 采用的i n t e r n e t 或卫星方式。 ( 5 )系统稳定性要求极高。虽然汇聚节点的工作环境相对传感器节点较 好，所受外界干扰相对较少，但是由于汇聚节点在网络中的纽带作用， 因此它的不稳定将会被无限扩大，造成整个无线传感器网络的崩溃。 6 第二章汇聚节点的总体设计 ( 6 )需要实现安全的网络通信。汇聚节点一般采用i n t e m e t 方式与管理节 点通信，而i n t e r n e t 提供的开放性网络环境并不能保证汇聚节点通信 的安全性。传送的数据不可避免的要面临i n t e m e t 网络各种威胁，例 如可能被截获、篡改、伪造等。对于无线传感器网络这样一个专用网 络，监控数据的不安全可能会造成毁灭性的后果，因此汇聚节点的网 络安全也就显得尤为重要。 第二节汇聚节点总体设计概要 2 2 1 嵌入式系统设计概述和汇聚节点结构分析 汇聚节点是一个十分典型的功能强大的嵌入式系统。嵌入式系统一般是指 以应用为中心，软硬件可裁减的，适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统包括硬件和软件两部分。 硬件系统主要由嵌入式处理器和一些功能外设构成，其中处理器是整个系统的 核心。软件系统一般由操作系统平台和应用软件组成。操作系统负责管理和调 度整个系统的各种资源，为上层应用软件屏蔽不同硬件的差异并提供编程接口， 以实现系统各部分的高效和理运作。应用软件则负责实现嵌入式系统的具体应 用【1 2 】【1 3 1 。对于一些简单的嵌入式系统，可能会没有操作系统这一部分。一个典 型的嵌入式系统架构如图2 1 所示。 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 ， 、 l 入式外围设 嵌入式处理器 l 嵌入式硬件平台 图2 1 典型的嵌入式系统架构图【1 4 】 7 第二章汇聚节点的总体设计 嵌入式系统设计是与应用密切相关的，每一个部件的选择都要考虑到效率， 而且设计时还要考虑将来的扩展性和延伸性。嵌入式系统设计流程主要包括系 统需求分析、系统开发环境选择、软硬件平台选择、软硬件实现、系统集成、 系统测试几个阶段。其中需求分析占有极其重要的作用，它直接决定整个系统 的设计方法和开发效率【1 3 】。 由上一节关于汇聚节点功能和特点的分析，可以得出汇聚节点功能结构上 应该包括负责与传感器节点通信的汇聚单元、负责与管理节点通信的i n t e r n e t 接 入单元、系统主控单元以及节点网络安全通信模块四部分。图2 2 是本系统汇聚 图2 2 汇聚节点功能框图 汇聚单元常常由一些处理能力相对较差而功耗很低的处理器和无线通信模 块组成，该单元内嵌了无线传感器网络的通信协议栈，实现了汇聚节点与前端 传感器网络的接入。i n t e m e t 接入单元则实现了i n t e m e t 网络通信中的t c p i p 协 议栈，在接入方式上通常采用无线c d m m g p r s 和有线两种方式，以保证与管 理节点通信的通畅。主控单元是系统的核心，它包含一个性能强大的c p u ，可 以满足汇聚节点对控制能力和处理能力的要求，并为汇聚单元和i n t e m e t 接入单 元提供通信接口，还要配备大容量的f l a s h 来存储系统软件和大量的数据。主控 单元与上面两个单元协同工作完成了通信协议转换的功能，实现了内外两种不 同网络的通信。同时主控单元还要负责汇聚节点数据处理、网络管理等功能的 实现。节点网络安全通信模块负责实现汇聚节点与管理结点的安全通信，有硬 件和软件两种实现方式。硬件上可以通过采用安全协处理器或者内嵌各种加密 算法的s o c 来实现，软件上则需要采用安全的应用软件设计方案，例如对传送 数据在发送之前进行加密处理，采用各种网络安全应用协议等i l6 1 。本系统通过 8 第二章汇聚节点的总体设计 采用s s l ( s e c u r es o c k e t sl a y e r ) 协议实现了汇聚节点的安全通信。s s l 协议是 目前最为流行的用于保障数据在i n t e m e t 网络中传输的安全性的网络安全协议。 按照嵌入式系统的设计流程，在对汇聚节点的功能和结构进行分析之后就 要开始对系统软硬件平台的选择，本节后面两部分将着重介绍这一部分。后面 的章节将会详细介绍汇聚节点软硬件的实现和调试过程。 2 2 2 ；f - 聚节点处理器选择 处理器是汇聚节点的核心，相当于整个系统的大脑，指挥和控制着系统的 正常工作，因此处理器的选择在汇聚节点设计时显得尤为重要。处理器选择时 通常采用嵌入式c p u 。由于应用领域和功能需求的不同，市场上的嵌入式c p u 种类并不像p c 机中那样单一，而是千差万别，低端与高端并存。不同体系结构 和运算能力，专用和通用c p u 在嵌入式产品领域都有广泛的应用。现在常见的 主要有a r m 、d s p 、p o w e r p c 、s o c 等。嵌入式处理器的选择要考虑如下几方 面因素【1 7 】【1 8 】： ( 1 )处理性能。处理器性能与很多因素有关，如时钟频率，处理器的体系 架构等。嵌入式系统是与应用密切相关的，选择嵌入式处理器时并不 一定要选性能最好速度最快的，而是要选择最适合的，处理器的性能 只要能够满足系统需求就可以了。 ( 2 )处理器的片上外设。丰富的片上外设可以减少系统所需j 占片数量，降 低系统的开发成本，提高系统开发速度和系统稳定性。 ( 3 )处理器功耗。嵌入式产品很大一部分都需要电池供电，如何降低系统 功耗一直是嵌入式系统设计的一个重要方面。因此处理器选型时最好 采用低功耗的处理器。 ( 4 )处理器相关技术支持。包括是否有较好的软件开发工具，完善的b s p ， 是否具有片上调试功能等。 综合上面几点因素，我们决定选用基于a r m 架构的处理器作为汇聚节点的 核心处理器。a r m ( a d v a n c e dr i s em a c h i n e s ) 既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是种技术的名字。从1 9 8 5 年第一个a r m l 原型诞生至今，经过a r m 设计者漫长的探索，使得a r m 处理器 在嵌入式领域取得了极大的成功。采用a r m 内核的处理器，大约占据了3 2 位 9 第二章汇聚节点的总体设计 r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，基于a r m 的嵌入式产品已经遍及了工业控 制、消费类电子产品、通信系统、网络系统等各类产品市场。 a r m 处理器采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e ) 体系结构，但又 不是一个纯粹的r i s c 体系结构，它的设计完全是围绕能够更好的使之适应嵌入 式系统的应用而做的。a r m 处理器具有很高的代码密度，可以适应嵌入式系统 存储器的限制。具有较小的内核体积，留给外设电路更大的空间，使得a r m 处 理器能够集成更多的外设，减少外围芯片数目，从而降低设计和制造成本，而 内核体积小使得a r m 处理器的功耗更低。同时a r m 处理器中已经集成了硬件 调试技术，使得系统开发更加方便快捷，从而降低了系统的整体开发成本。a r m 处理器的这些特性使得它成为当今最通用的3 2 位嵌入式处理器内核之一，包括 i n t e l 、t i 、s a m s u n g 、a t m e l 等世界著名半导体公司都在制造基于a r m 内核的产 品f j 8 】。 目前a r m 处理器主要包括a r m 7 、a r m 9 、删9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 和i n t e l 的x s c a l e 、s t r o n g a r m 系列，最近a r m 公司又推出了两款新的处理器 c o r t e x m 和m p c o r e 。由于a r m 处理器的内核结构不同，生产厂家各异，因此 a r m 芯片的选择也十分重要。本文对汇聚节点的设计方案中选用了a t e m l 公司 推出的一款内嵌3 2 位a r m 9 2 0 t 核的高速a r m 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，它具有 高性能、低功耗、低成本的特点，同时内嵌全功能的m m u ( 内存管理单元) ， 可以移植标准的l i n u x 操作系统，减少了汇聚节点软件的开发难度并增强了它的 可移植性，有利于软件的二次开发。有关a t 9 1 r m 9 2 0 0 的特点和应用将在后面 章节中详细介绍。 2 2 3 汇聚节点软件平台选择 如果把硬件比做一个人的躯体，那么软件则相当于它的灵魂。没有了软件 就如同人没有了灵魂一样，只剩下一堆没用的废铁，无法完成任何功能。嵌入 式系统的软件真正完成了其各种各样的功能。图2 3 是嵌入式系统软件组成的一 种分层结构图。 1 0 第二章汇聚节点的总体设计 应用程序 应用编程接口 操作系统内核 板级支持库 图2 3 汇聚节点软件层次示意图【4 l 上图实际上是将传统的操作系统划分成了三部分：应用编程接口、操作系 统内核和板级支持库。板级支持库负责直接与硬件交互，这样大大减少了操作 系统内核代码与硬件的相关性，使得操作系统跨平台移植更加灵活和方便。 对于很多嵌入式应用，一个完整的操作系统不是必须的，而只需要一个简 单的任务调度器即可。但是考虑到汇聚节点功能的复杂性以及系统功能的扩展 和移植，本系统选择了一个嵌入式操作系统( e o s ) 实现对汇聚节点软硬件资源 的管理和应用。在进行嵌入式操作系统的选择时要遵循以下几个原则【1 w ： 开发成本低，开发周期尽可能短； 可移植性强； 可利用资源丰富； 系统定制能力强； 目前a r m 处理器可以支持超过5 0 种的操作系统，最常见的有i x c o s i i ， v x w o r k s ，w i n d o w sc e ，嵌入式l i n u x 。每一种操作系统都有它的特点，在选择 时需要对其进行系统的比较，结合汇聚节点的应用特点选择最适合的操作系统。 下面是几种嵌入式操作系统的分析介绍【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 9 】： p c o s i i 是在在“c o s 的基础上发展起来的，是用a n s i c 语言编写的一个 结构小巧、抢占式的多任务实时内核。肛c o s i i 能管理6 4 个任务，并提供任务 调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，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。但它缺少对 第二章汇聚节点的总体设计 外围设备和接口的支持，如没有文件系统、网络协议、图形界面等，用户在使 用时许多工作需要自己完成。 v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司的产品，是一个采用微内核结构的操作系 统。该微内核支持各种实时功能，包括快速多任务处理、中断支持、抢占式和 轮转式调度。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部事件。v x w o r k s 在 各领域的应用已经证明了它是一款高可靠性、高实时性的内核可裁剪的嵌入式 操作系统，然而由于是特定公司的产品，它具有开发成本高，不提供源码，支 持硬件数量有限，需要专人维护等缺点。 w i n d o w sc e 是微软为进军嵌入式领域而开发的一款开放的、可裁剪的、3 2 位实时嵌入式窗v i 操作系统。它继承了w i n d o w s 操作系统优秀的图形界面支持 的特点，应用程序开发接口基于w i n 3 2 a p i ，使得桌面w i n d o w s 开发人员更方便 向w m d o w sc e 嵌入式开发过渡。微软公司为其提供了方便的i d e 和开发工具， 对于o s 的定制、裁减、交叉编译等都相对简单。而且w i n d o w sc e 自带了许多 应用，例如w e b 浏览器，多媒体播放器，o f f i c e 文件察看器等，使得应用开发 更加容易。但是它也继承了w i n d o w s 桌面操作系统的一些缺点，例如需要占用 过多的系统内存，应用程序庞大、可靠性不足等。而高昂的授权费用也使得一 些厂家望而却步。 l i n u x 操作系统作为开源软件成功的典型，在嵌入式领域的应用也十分广 泛。l i n u x 支持现有的几乎所有架构的c p u ，源代码完全开放，遵循g p l ，可以 免费获得使用。l i n u x 具有可裁剪、可定制内核，用户可以根据需求修改源码和 定制内核，而内核体积小巧，运行所需资源非常少，十分适合嵌入式系统的应 用。同时l i n u x 是个与生俱来的网络操作系统，提供了完善的t c p i p 协议的支持。 来自全世界的l i n u x 爱好者和科研工作者的共同努力使得l i n u x 成为一款成熟而 且稳定的优秀操作系统。正是这些优秀的特征使得l i n u x 在嵌入式领域得到了迅 速发展，具备了与v x w o r k s 、w i n d o w sc e 这些嵌入式操作系统抗衡的实力。 汇聚节点的应用有它自己的特点。它对系统的稳定性和功能要求极高，需 要完善的网络功能，但却不需要图形界面的支持，再兼顾到开发成本和开发周 期，本文最终选用了l i n u x 操作系统作为汇聚节点的软件核心。汇聚节点的软件 设计主要包括b o o t l o a d e r 的移植，l i n u x 操作系统的移植，文件系统移植，驱动 程序开发和应用程序开发几部分，具体内容将会在后面章节中详细介绍。 1 2 第三章汇聚节点硬件设计 第三章汇聚节点硬件设计 第一节汇聚节点硬件结构和核心处理器概述 汇聚节点的硬件结构框图如图3 1 所示，由a t 9 1 r m 9 2 0 0 核心处理器、电 源管理电路、r f 收发电路、i n t e m e t 接入电路和一些其他接口电路组成，其中 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是整个汇聚节点系统的核心。 电源管理 c c l l 0 0 s t c 8 9 l e 5 1 6 a d 其它外设接 口 a t 9 l 剐m 9 2 0 0fu a r t l u a r t 0f 存储器接口iie t hm a c n o r 、n a n df l a s h 和s d r a m 存储器 图3 1 汇聚节点硬件结构框图 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器是一款由a t m e l 公司设计生产的嵌入式a r m 微 处理器，内含一个a r m 9 2 0 t 核，具有2 0 8 脚p q f p 和2 5 6 脚b g a 两种封装， 本论文方案中采用了p q f p 封装，其主要特性如下1 2 0 j ： 在1 8 0 m h z 的工作频率下运行速度为2 0 0 m i p s 。 内嵌1 6 k bs r a m 和1 2 8 k br o m ，方便用户调试。 外部总线接口( e b i ) 支持s d r a m 、n a n df l a s h 等多种存储器。 功能强大的片内外围电路，带有7 个外部中断源、1 个快速中断源和4 个3 2 位p i o 控制器，最多支持1 2 2 个可编程i o 端口，2 0 通道的外部数 据控制器( d m a ) 等。 1 3 一模 一 诅 d 磊m竺翟= 一a d 第三章汇聚节点硬件设计 全功能的电源管理控制器，可以有效优化系统功耗，并支持普通、空 闲、慢时钟及s t a n d b y 四种工作模式。 i o m i o o m 以太网m a c ，可根据配置不同使用m i i ( r e d u c e dm e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 或r m i i ( r e d u c e dm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 模式，集成2 8 字节的f i f o 和专门的d m a 通道用于数据传输。 u s b 2 0 主机和设备端e i ( 1 2 m b i t s 秒) ，具有主从片上收发器，并且集 成了主机f i f o 和专用的d m a 通道，从机可配置的f i f o 。 多媒体卡接口( m u l t i m e d i ac a r di n t e r f a c e ，m c i ) ，兼容m m c 和s d 存 储卡，可支持两个s d 卡，支持自动协议控制及快速自动数据传输； 三个异步的串行控制器( s y n c h r o n o u ss e r i a lc o n t r o l l e r s ，s s c ) ，每个收 发器都具有独立的时钟信号和帧同步信号和3 2 比特的高速数据流传输 能力，支持1 2 s 模拟接口。 四个同步异步收发器( u s a r t ) ，支持i s 0 7 8 16t o t 1 智能卡，支持硬 软件握手，支持r s 4 8 5 及高达1 1 5 k b p s 的i r d a 总线，u s a r t l 为全 调制解调控制线。 主从串行外围接口( s p i ) ，8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设。 两个3 通道，1 6 位的定时器计数器( t c ) ，3 个外部时钟输入，每条 通道有2 个多功能i o 引脚，双p w m 产生器，捕获波形模式，上d h i 下减计数能力。 两线接口( t w o w i r ei n t e r f a c e ，t m ) ，支持主机模式和所有两线a t m e l e e p r o m 。 i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描接口。 p l l 、振荡器和处理器内核供电电压从1 6 5 v 到1 9 5 v ，典型值为1 8 v ； 各种外设和外部总线i o 供电电压从1 6 5 v 到3 6 5 v ，一般为1 s v 、3 v 、 3 3 v 。 a t 9 1 r m 9 2 0 丰富的系统与应用外设及标准的接口可以大大方便系统开发人 员的工作，同时加快了系统开发周期，提高了系统稳定性，降低了成本。 1 4 第三章汇聚节点硬件设计 第二节汇聚节点存储系统电路设计 3 2 1a t 9 1r m 9 2 0 0 存储控制分析 存储器是嵌入式系统的重要组成部分，对于一些简单的应用微处理器自带 的存储器就有可能满足需求，而对于汇聚节点这种复杂的应用则需要扩展外部 存储器。本系统设计方案中采用n o r 、n a n df l a s h 和s d r a m 存储器实现了汇 聚节点系统的存储器扩展。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 具有4 g b 的地址空间，分为1 1 个独立的区域，包括1 个 2 5 6 h , , f 1 3 字节的内部存储器地址空间，一个2 5 6 m b 字节的内置外设地址空间，一 个1 5 3 6 m 字节的用于在访问时返回异常中断的未定义地址空间，以及8 个 2 5 6 m b 的字节地址空间，其中每个字节地址空间分别分配给外部总线接口的8 个片选口中的一个。a t 9 1 r m 9 2 0 0 地址空间分配如图3 2 所示弘u j 。 o