（通信与信息系统专业论文）无线移动自组织网络实验平台的研究.pdf

电子科技大学硬士学位论文：笼线移动魏组爨瓣络溪谗与软译平台豹研究 摘要 传统静阚络，箕绝大多数网络设备被丽络连线所禁镧，无法实现可移动韵网络通信。 随着国防方颇的需求以及便携式计簿机的大量涌现和广泛应用，对网络通信提出了新的 要求。自组织网在这种情况下应运而生，它克服了传统网络无移动性的不足，实现了可 移动的数据交换。奁一定穆度上体现了遴镶系统的5 w ( w h o e v e r 、w h e n e v e r 、w h e r e v e r 、 w h o m e v e r 、w h a t e v e r ) 的特点。 光线移动鸯组织互联嘲是结合了自组织网络灵活爨弼的特点和移渤通信系统的蜂窝 式组网思想的一种网络体系结构。探讨采用无线通信方式构成的互联网的移动性，能否 达到与目前的话音移动通信系统( 如g s m 、c d m a ) 一样方便性，以及如何达到这种移 动性的阚题，正是冤线移动自组织互联网技术及实验系绕职毒这一课鬏疆究黪主要塞义 所在。而如何构建个这样的实验网平台，为实现移动用户的接入管理，以及动态路由 握供一个摸孝萎l 静工 擘嚣凌，是该谦题的一个关键技术。这遣正楚本文豹主要锓务。 本文首先对课题背景作了简单的介绍，深入分析了l i n u x 乍为嵌入式操作系统的特 点，讨论了基于l i n u x 构建嵌入式系统的优势，劣势和主要任务。分析了如何对l i n u x 系统避罩亍定割以实现应用系统的特定要求，在此然础上针对具体的嵌入式应嗣，对据准 内核进行了裁减以实现嵌入式目的，搭建了嵌入斌开发平台。 鬣后，慈结全文，并撵密了下一步需要迸牙静工作。 关键字：无线移动囱组织奠联网、嵌入式系统、l i n u x 、实时性、交叉开发 电子科投大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 a b s t r a c t t r a d i t i o n a ln e t w o r k sd o # t s u p p o r tm o b i l e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，f o rm o s t n e t w o r k e q u i p m e n t s a r ec o n s t r a i n e db yw i r e s a st h ei n c r e a s i n gd e m a n do f m o b i l i t y f r o mn a t i o n a ld e f e n c ea n d p r o t a b l ec o m p u t e rw i d e l y b e e nu s i n g ，p e o p l ep u tf o r w a r d n e w r e q u i r e m e n t s f o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni nt h i sc a s e ，a dh o ce m e r g e sa st h e t i m e s r e q u i r e i to v e r c o m e st h es h o r t a g eo f t r a d i t i o n a ln e t w o r k s ，a n da c h i e v e sm o b i l e d a t ae x c h a n g e t h i se m b o d i e sc h a r a c t e r i s t i co fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s5 w ( w h o e v e r ， w h e n e v e r , w h e r e v e r ，w h o m e v e r ，w h a t e v e r ) i ns o m ed e g r e e t h ew i r e l e s sm o b i l e s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ( w m s n ) i s an e wk i n do fn e t w o r k a r c h i t e c t u r et h a tc o m b i n e st h e f l e x i b i l i t y o fa dh o cn e t w o r ka n dt h ei d e ao fu s e r m a n a g e m e n to f c e l l u l a rn e t w o r kt h es i g n i f i c a n c eo ft h i st a s kl i e si nt h r e ea s p e c t s f i r s t ，h o wt ou s ew i r e l e s sm e a n st oc o n s t i t u t et h em o b i l i t yo f t h ei n t e m e ts e c o n d ，c a n i ta t t a i nc o n v e n i e n tm o b i l i t ya st h a to f t o d a y sv o i c em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， t h i r d ，i f p o s s i b l e ，i ti sak e yt e c h n o l o g y h o wt ob u i l ds u c ha ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt o p r o v i d ea ne n v i r o n m e n ti nw h i c ht h ea c c e s sm a n a g e m e n to f m o b i l eu s e r sa n dt h e d y n a m i cr o u t i n g a r ea r c h i e v e d t h i si st h et a s ko f t h i sp a p e r 。 t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h et a s kb r i e f l ya tf i r s t t h e n ，t h r o u g u l y a n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ee m b e d d e dl i n u x , a n dt h e np o i n t i n go u tt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f l i n u x u s e da se m b e d d e dl i n u xs y s t e m ，h o wt oc u s t o m e t h es t a n d a r dl i n u xt ob ef i tf o rt h ea p # i c a t i o nd e f i n e db yas p e c i f i ce m b e d d e d s y s t e m t h e nw ed e v e l o p a t y p i c a la p p l i c a t i o na b o u t n e t w o r ko nap l a t f o r mo f e m b e d d e ds y s t e m f i n a l l y , c o n d u d e t h ew h o l e p a p e ra n dp u t f o r w a r dt h ew o r kt od on e x t k e y w o r d s ：w m s n e m b e d d e ds y s t e ml i n u x r e a lt i m ec r o s s d e v e l o p m e n t 鞭 电子辑技丈学颈士学筏论文：嚣线移动囱组织黼络硬件与软件平台的研究 第一章引富 逐年采，倍感技术与信息产建飞速发震，霹终嚣盏逡入每个人豹生活中， 人们对网络通信的要求也不断提高，希望方便、迅速地进行相互通信。计算机与 通信两个领域的逐步融合、相甄渗透，也促邋了网络技术的不断完善提高。于是 无线霹终技术隧之应运露生，它克骚了绩绞翘络鼓零熬不足，囊歪俸凌了方餐、 迅速的要求。 1 1 无线移动自组网产生的背景 经典豹蠡组蹒是a d h o c n e t w o r k s ，这静移动无线网络最麓起源予2 0 毽纪7 0 年代的美国军事领域，它是美国国防部d a r p a 资助研究的“在战场环蟪下采用 分组无线网进行数据通信”项目中产生的一种新的网络技术。 对a dh o c n e t w o r k s 豹解释众多，箕中一种眈较好的解释为：a dh o c n e t w o r k s ， 是指幽一组移动节点，不需要集中式豹接入点或者现存的蹇础设施，就可以募集 起来的协力通信的网络。网络的连接是动态变化的，并且移动节点只能熊它邻近 节点豹转发分组送行数摇通信。由于节点在瓣络中移动，连接缀容易中黼帮发生 改变，因为这种网络的链路本身就具鸯临时性。a dh o cn e t w o r k s 最初它主要应 用在军事以及一些紧急的环境下，因为它具有极大的灵活性和极好的抗毁性等优 越淫。我稻习惯凳a d h o c n e t w o r k s 称之为聋组嘲。 照组网技术提蹬教最大熬个露浆：实瑗网络终溃在移动过程中适盛网络接 扑结构的变化而不歪于中断通信。这样在一些由于没有可利用的设备或者某些因 素限制下的特殊环境中，可通过终端的自组刚来完戚用户之间的信息交流和协问 工乍，放丽弥毒 没凑瑗戏瓣露络遇痿基礁设施可使爨豹鲮瞧。或豢 乍为鸯线鼹终 的无线延伸。 弼外，移动蜂窝通信系统，由于其移动性、方便性和可靠性，得到了迅速的 发展。它罴要袋靠基站等蒸萋窭竣蕤来实凌透信，在基港覆羲懿范豳蠢，耀户熬移 动不会造成通信的中断；用户一旦移动出基站的覆盖范围，就不能获得网络服务 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网铬硬件与软件平台的研究 从而将用户的有效通信限定在某一地理位援相对固定的范围内。尽管如此，其通 过基站的接入方式，不仅缎好灼解决了用户的移动接入蝇题，耀时也减少了系统 组阚的开镪，瘸户县鸯缀鑫 弱移动性。 于是产生了一种葱路，将g s m 阏络和a dh o c 网络的优点结合起来，创建一 个螽组织刚络，使之其有g s m 网络的移动性、方便性和可靠性，用户可随时随 地的使用网络，同时该网络又具有a dh o c 网络的自我组网和动态路由的功能。 本课题希望在无线移动自组织网络的研究领域进行探索和创新j 无线移动臭组织要联网虫“无线刚点”和“移动用户”组戏。网终在缝橡上 分为嚣层结媳：置于层、接入艨，翔图l l 熙示。嚣予层赉“秃线网点”实瑶缀 网秘提供蜂窝状的无线覆盏区域，缓入层为区域惑的蠲户提供暹信静接入。 骨 接 无线网点移动用户 图1 - 1 移动互联网的两层结构 无线鄹点类黻予g s m 中静“基站”。无线网患在鑫己的髑蘑形成一个无线 覆盏区域，多个无线两点构成一种蜂窝状韵覆盖区域。无线网点之间通过无线倍 道沟通，以a dh o c 方式自组织形成骨干传输网络如图1 - 2 所示，为移动用户的 通信提供无线嗣点间的选路、讲报文转发。同时，无线网点还负责实现与有线 互联网的互连和通信。因此，无线网点具有传统路妇器的拓扑发现和路由功能， 本方案中又将其称为“无线路由器”( w i r e l e s sr o u t e r ，w r ) 。但在本方案所研 究并设计的网络体系结构模型中，w r 在概念和原理上又不完全是一个据准意义 上的路囊爨，更适合于网络灼皇组织积移动蜷性。 2 电子科教丈学硕士学位论文：无线移动螽组缫网络硬件与软件平台的研究 图1 - 2a dh o c 方式梅残酌 p 衙干网 移动用户是使用无线接入的普通计算机站点，在骨干网络的覆盖区域内经无 线信道接入距离“最近”的无线网点。移动用户可在多个无线网点的疆盏范围蠹 自由移动积通信。在移动豆联网体系结构模型中，移动用户实际上是嶷鸯无线移 动通信能力的用户主专睡，因鼗搴方案中又将其称戈无线主橇( w i r e l e s sh o s t ， w h ) 。w h 不参与鼹络拓扑豹梭残，只楚透过w r 搂入并使焉掰络提 共静可移 动熬遥信服务。 綦于以上的构想，我们无线移动自组网的实验网系统由w r 和w h 形成 两级结构。w r 分散在一定的范围内，通过彼此之间的无线信道，形成自组织网 络的主干部分。w h 分散在w i t 的周围，由w r 接入到实验网中。 整个实验网可以作为有线i p 网络( t n t e r n e t ) 的一个i p 子网，接入到有线l p 网络中。 农实验网系绞中，鸯部分w h 配霪戈捶入无线鼹卡的便携辊，可以京系统 中以步行方式移动。冀健w h 配羹为插入无线网卡静 ) e 祝，在实验两系统中通 信丽不移韵。w r 均英备两个无线两卡和一个1 0 0 m 以太网接口，w r 的一个无 线两卡设谶为h pt d a s t e r 2 1 2 作模式，负责w h 的接入。另一个无线网卡设置为 a dh o c i 作模式，负责w r 之间的通信。同时，为了验证实验系统与i p 有线网 络的互连，将一台w i t 的1 0 1 0 0 m 以太网接口接入一个有线i p 网络中，从该网络 的一台p c 机上访问实验系统内的任一台w h ，从而验证实验网络与i p 蠢线网终 ( i n t e r n e t ) 的连通悭。 本人在这篇论文之中，重点磺究了w r 的爱l 孛平台秘款 牛平台弱搭建，并 虽搭建起来四套w r 平台，鳃建了一个秘步叠冬无线移动餐组阚懿实验阏系统， 可以正誉邀行，并置遴过了测试。 电子科技大学硕士学位论文：无辘移动自组织防络硬件与软件平台的研究 。2 无线移动蛊组织鼹终懿应用场合 弱前便携式计算机已经逐渐普及开来。淆便携机上网的入也许感到最不方便 的是缀豢遇到更改枧器黪臻遗址，以便在不同煞邈点上嬲( 擐燧以太嬲接入熬 情况) ，即使是在自己的内部网上也经常发生这种情况。今后便携式计算机采用 无线上阍( w i r e l e s s l a n ) 必将成为一种普遍接受的方式，但在目前的嘲络环境 下，仍会存在上述敕不甓。 因此我们的目标之一就是实现便携式计算机的移动，不会影响用户的正常使 用，并且用户不用作任何地改动。 零深蘧设诗静蠡缝绥阏络，与w l a n 豹a p 接入网络、a dh o c 网络有新不 同，其特点在于网络中设鼹了专门的设餐：具备组网蓐路由能力的无线咧点。网 络的缎网形态由无线网点来确定。由多个无线网点通过无线形式自我组织成一个 覆羞较大范灏豹无线接入稠络，并其备鼹壹选择蠢中继功畿，为移动霜户提 蓝覆 盖范围内可移动的无线接入和通信功能。通过g i 入无线网点，使褥无线岛组织网 络的构建主妥由无线网点来实现，减弱了对移动用户的设备和软件的依赖程度。 实际上，对移动趸户豹设备没有特簇要求，只霈使蘑疑有熬系统帮软俘就麓在溺 络中实现接入、越区切换和通信。 网络组网形态跬i 无线阏点确定的方式，使得网络的建设变得易于把握和可 控；对移动瘸户设备没有特殊要求使得阚络韵通用谈强。因诧，随络也具备了缀 好的邋用性能和对多种应用场合的适应性： 1 ) 临时性的组网，如展览会、博览会中的组网。诸如一般的电子展、计算 机展，由于对网络稀求极高，而稚线又会让会场显得凌乱，因此著能使用无线网 络，则是再好不过的选择。它鳃好处在予它不会破塥场蟾懿建部装修，霹璺在愆 时问内就能够搭建网络环境。 2 ) 固定阚，但用户需疆移动的场合，如校园网、企业网、机场大厅、公共 场錾等。学校是其中一令缀重要豹应嗣领域，校园嚣较大，奄线藏工困难，又不 能破坏建筑的特色，而且为每个建筑物都铺设电缆来用于互联网接入，在价格上 将是非常昂贵的。此时移动自组织网络正好大鼹身手，一个无线网络系统可以使 教矮、学生在校园蠢静任露建方接入嬲终。在较霹戆凡个主要豹建筑甥上，分剩 蠢 电子科技大学硕士学谴论文：无线移动宙组织黼络硬件与软件平台的研究 安装无线黪麦器( w r ，它们鲍移动羧监懿缀弱，霹认为是几乎不移动瓣。露时 在每一个移动终端( w h ) 上裟上一个无线网卡，人们就可使用它，通过w r 上 网。 3 ) 考线接入懿无线延终鼗扩震，跫接入煮遂过无线方式延 孛密去，琴g 露无 线网点的组网特性，可以经过几次中继延伸到较远的地方戏扩展覆盖馘。尤其是 在比较偏远的农村，可在一定程度上解决农村地区的网络通信问题。 4 ) 网络运营裔，雳予褐建帮为麓户提檄一个无线接入藏务环境。主要髂现 为网络运馨商为一些高档宾馆遇过无线的方式实现顾客的随时随地上嘲，方便顾 客。 5 ) 应慧组网。主要是当发生自然灾害虫嚣缝震，诧时无线移韵网络可实现快 速、灵活缎网，缳涯通馈豹不中叛；或在战争环境中，无线移动网络霹凑效的保 证己方及时、迅速通信，掌握瞬息万变的战局。 5 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 第二章嵌入式l if l u x 操作系统 由于我 f j 研究豹无线鑫组织嚣联网络，将器采鲻嵌入式l i n u x 操作系统作为 软件开发平台，所以，我们先了勰一下嵌入式操 乍蓉统。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：是以成用为中心，以计算机技术为基础 软l 牛硬件可裁剪，逶应对功耗、可靠注、成本、体积、功耗严格要求的专厢计算 机系统。它将操作系统和功能软件集成予计算枧硬件系统之中，简单的说就是系 统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式，具有软件代码小， 高度舀动诧，响应速度浃等待点。特鄹适合子溪求实时的和多任务的体系。 软件是实现应用目标魄关键，随着功能变褥越来越复杂，操l 乍系绞也成为嵌 入式系统的个基本部件，一个有操作系统支持的嵌入式系统具有如下的结构如 图2 1 掰示。 a p p l i c a t i o n s i n t e r f a c e s 实现应用功能和用户接翟的外围程序 f e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m 嵌入式操作系统 百r b s da n db o o t l o a d e r l a y e r 扳级支持包和加载层 可丁 h a r d w a r el a y e r 毽括c p u 在虑的程停层 圈冬l 嵌入式系统结构凿 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 2 1 典型的嵌入式l in u x 操作系统 目前，嵌入式l i n u x 的产品主要分为三类。 第一类是专门为l i n u x 的嵌入式而做的，如何让l i n u x 更小、更容易嵌入到体 积要求和功能、性能要求更高的硬件中去的产品， l n m o n t av i s t a 的m o n t av i s a l i n u x 等； 第二类是专门为l i n u x 的实时特性设计的产品，将l i n u x 开发成实时系统尤其 是硬实时系统，应用于一些关键的控制场合，i n f s m l a b s 公司，开发出来的 r t l i n u x 产品已经用在工业控制的很多方面； 第三类的产品就是将实时性和嵌入式方案结合起来的方案，很多公司都这么 做，并且提供集成化的开发方案，女a l i n e o 、t i m e s y s 等等。 各具特色的嵌入式l i n u x 系统： r t l i n u x 的特色是内核互换 r t l i n u x ( r e a lt i m el i n u x ) 是由f s m l a b s 公司开发的，r t l i n u x 是利用l i n u x 进行实时系统开发比较早的尝试。 r t l i n u x 的原理是将l i n u x 的内核代码做一些修改，将l i n u x 本身的任务以及 l i n u x 内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务， 即在实时任务存在的情况下运行实时任务，否则运行l i n u x 本身的任务。实时任 务不同于l i n u x 普通进程，它是以l i n u x 的内核模块( l i n u x l o a d a b l e k e r n e l m o d u l e ， l k m ) 的形式存在的。需要运行实时任务的时候，将这个实时任务的内核模块 插入到内核中去。实时任务_ j l j l i n u x - - 般进程之间的通信通过共享内存或者f i f o 通道来实现。通用的r t l i n u x 原理如图2 2 所示。 7 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 硬件环境 jr r t - l i n u x 内核 ： if il i n u 砷核l 实时任务 ll i n u x 进程 图2 - 2r t l i n u x 原理图 从图中可以看出，r t l i n u x 实际上工作在l i n u x 内核和硬件中间，它最先知 道硬件的信息，可以取得最快的响应速度：实时任务直接和r t l i n u x t 为核进行交 互，缩短了到硬件的时间，也提高了实时性。并且，实时任务和l i n u x 普通进程 之间也有通讯方式，对实时任务的监控可以在l i n u x 进程这一端执行。这种实现 方法可以充分利用l i n u x 的强大功能和r t l i n u x 的实时性能。 l i n u 非t 的特色是内核改动的模块化 t i m e s y s 公司的l i n u x r t 系统吸收了两项l i n u x 实时化的技术。 第一项是r t a i ( r e a lt i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ) ，它的开发方法$ 1 7 r t l i n u x 的方案相近，不过在处理对t i n u x 废j 核改动方面，r t a i 做的改动更加模块化：在 对l i n u x 的内核升级的时候，将r t l i n u x 升级起来比较困难一些，因为它的硬件 抽象层年h l i n u x 本身的代码之间的界限不是很清楚：但是r t a 做到了一个清晰的 硬件抽象层r t h a l ( r e a lt i m eh a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ) ，将“n u x 和r t a i 之间 的模块化划分清楚。并且针对r t a j ，开发了l x r t ( l i n u x i 盯) ，让r t a i 可以调用 l i n u x 本身的系统调用。 第二项技术是r e dl i n u x ( r o b u s te m b e d d e d ) 系统。该系统实现的不是硬实 时系统，它是通过一个“抢占点”( p r e e m p t i o n p o i n t ) 来获得系统的实时性能，它 可以直接使用l i n u x 的系统调用，这种调用是通过一个l i n u x r k ( l i n u x r e s o u r c e k e r n e l ) 来实现的。在l i n u x r k 中还包括了r e dl i n u x 的特殊的调度器，这种调 度的方法是将调度器分成两个部分，一部分在内核空间中，另一部分在用户空间 电子科拄大学硕士学位论文：无残移动自组织两络硬件与软件平台的研究 孛。在悫援窒阗中麴那罄分是键疫爨豹分发嚣( d i s p a t c h e r ) ，在弱户空闻懿郄 分是调度器的分配器( a 1 l o c a t o r ) 。调度分配器可以是一个嵌入式应用的一部分， 也可以是一个独立的单位，它用来管理系列的实时进程，将应用中的请求转换 成蠹孩可以理解黪格式。 e m b e d i x 的特色是个性化内核 e n l b e d i x 和基于e m b e d i x 的一整套嵌入式l i n u x 开发环境是由l i n e o 公司开发 懿。e m b e d i x 是基予p o w 嚣p e 器x 8 6 平台开发豹，它提供- f l i n u x 瓣强大功能，还 可以对需要功能逃行剪裁，对嵌入式设备进行支持。通过使用e m b e d i x 可以为自 己的嵌入式应用创建一个自己需要的内核。同时l i n e o 还提供了基于e m b e d i x 的集 戏野发琢壤、实懿扩展方案、g 疆接口等等。其中，集残拜发臻壤包攒了内羧远 程调试器、实时任务调试器等等。 m o n t a v i s t al i n u x 的特色是高性能小体积 m o n t a v i s t a 公司鲍m o n t a v i s t a l i n u x 是专门为褥l i n u x 傲戒嵌入的系统纛攫爨 的。可以根据m o n t a v i s t a l i n u x 为系统启动和运行环境做出适合于嵌入式硬件系 统环境的配置，以获得最好的憔能和最小的体积。针对m o n t a v i s t al i n u x ， m o n t a v i s | 8 公司掩供了c d k ( c r o s s d e v e l o p m e n t k i t ) 震馋m o n t a v i s t a l i n u x 。驰交 叉开发环境，提供- j c c + + 的编译器、调试嚣、性能监控工具和网络工具，支持 在x 8 6 p e n t i u m 处理器芯片上运行的r e d h a t l i n u x ，通过以太网或者串口线对目标 系统进行秀发，爨振系统是其德体系绻擒上豹m o n t av i s t al i n u x 系统襄镄对 m o n t a v i s t al i n u x 开发的嵌入式成用。 2 。2 嵌入式l i f l u x 操作系统 2 2 l im j x 作为嵌入式操作系统豹优势 善先l i n u x 栽满是嵌入式系绕夔基本要袋： ( 1 ) 满足嵌入式系统所要求的实时，多任务性：从l i n u x 进程调度的3 个策略： “非实时，实时先进先出，实时基于优先权轮转法”可以看出，l i n u x 对于实时 任务是寿黪臻楚褒豹( “软实辩”) ，虽然著没有潢足“硬实时”瑟求，餐是这种 软实时可以满足般嵌入式系统的要求。l i n u x 也是一个多任务操作系统，也就 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 是说l i n u x 允许有多个程序同时装入内存运行，操作系统为每个程序创建一个运 行环境，l i n u x 的多任务性，满足嵌入式系统的要求。 ( 2 ) 满足嵌入式系统所要求的高效性，鲁棒性：l i n u x 的内核包含，进程调度， 内存管理，进程问通信，虚拟文件系统和网络接口五大部分，内核的功能块又被 划分为独立的模块，l i n u x 提供的模块机制可以根据用户的需要，将某些模块插 入到内核或者从内核中拿走。所以系统内核可以裁剪得精而小。l i n u x 内核的组 织结构是整体式结构，由很多过程组成，每个过程可以独立编译，然后用连接程 序将其连接在一起成为一个单独的目标程序，没有任何程度的信息隐藏，这种结 构的内部结构简单，子系统间易于访问，因此内核的工作效率较高。 ( 3 ) 嵌入式系统没有磁盘：虽然一般的l i n u x 是需要磁盘的，但l i n u x 能, 够解 决嵌入式系统没有磁盘的问题。因为l i n u x 支持将某些模块常驻内存，所以最简 单的办法是：可以将嵌入式系统需要的应用程序s d l i n u x l 为核同时储留在内存中， 系统启动时，启动应用程序。 l i n u x 还能满足嵌入式操作系统的一些复杂功能的要求： ( 1 ) 网络协议：l i n u x 提供t c p i p 网络协议栈矛1 i n t e r n e t 客户，服务器软件。 ( 2 ) 图形用户界面：有x w i n d o w s 。 ( 3 ) 外设：l i n u x 可以使用的外设驱动接口很多。 ( 4 ) 带有完善的开发工具。如：g c c ，g d b ，k g d b 等。开发嵌入式系统的关 键是要有一套好的开发和调试工具，传统的嵌入式系统的开发和调试工具是在线 仿真器0 c z ) ，在线仿真器允许开发者调试和监视程序的运行，了解底层软硬件 接口的状态，但是并不方便做更高级的调试。l i n u x 并l j 用g n u 的g c c 做编译器，用 g d b ，k g d b 做调试工具可方便地开发嵌入式系统。 ( 5 ) l i n u x 的移植性好，它的内核移植到新的微处理器上很方便。 l i n u x 优越于其它商业操作系统的地方： ( 1 ) l i n u x 是免费的操作系统。 ( 2 ) l i n u x 的源代码是开放的，源代码随处可得。 ( 3 ) 遇到问题时可通过网络，得到丰富的技术支持。 综合上面的分析，可以看出，l i n u x 用于嵌入式系统方面是可行的，具有广 泛的应用前景。 1 0 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 2 2 2 嵌入式l i n g x 面临的问题 通常l i n u x 的实辩性不好，l i n u x 操作系统是u n i x 的诸多交种之一，而u n i x 操 作系统是分时系统，分时操作系统的设计目标在于通过对最一般情形的优化，最 大限度地有效利用硬件资源，从而达到最大的处理能力，即“吞吐率”；而实时 操作系统的设计思想，则与此大相径庭，对于实时系统而言，更重要的是响应时 间，而且要保障最坏的情形下的响应时间。 所谓“实时”，对于计算专凡系统蕊言意味羞不但要求逻辏结粱正确，藤虽有 融闻麴要裳，即这个结果必须产生截止期限之翦。对予实瓣舔言，对润期限熬要 求是必绥樗到满足蠡擘，僵跫区分茭 本液焉场合，这种要求豹严格程度又有所不同。 如果这种要求是绝对豹，任何一次不满足就熊造成实难往后栗，那就称之为强实 时；否刚，偶尔的不满足并不足以造成严蓬后果，是可以接受的，则称为弱实时。 相应的，具有这两种特性的操作系统就分别被称为强实时或者弱实时操作系统。 由于指导思想南辕北辙，因而，分时系统与实时系统是很难“整合”的。不 过，由于分时系统应用广泛，在它上面有很好的开发环境、调试工具，并且这些 耶境与工具比较成熟，所以针对这种情况，通常采用的方法是在依托u n i x 系统的 基础上对它进行改造，增强, u n i x 系统实时性，从磁实现实时性的要求。为此，9 0 年代初人磐 裁划定了相关标礁，即p o s i x l o e 3 1 b 。这个檬准勰定了“开放系绫” 对实时盔瘸提供静服务，镪括较高精菠翡时锋，实瓣谲度策珞，进程炙面驻留等。 髫前凡乎辑有类u n i x 揉 乍系统都实现了这个标准所规定的大部分肉容。然而，仅 俄实现p o s i x l 0 0 3 1 b ，通用分时系统所获得的实时性是很“弱”的，弱到对很 多应用而富几乎没有任何实际意义。 u n i x 系统成为实时系统的重要障碍大致有以几点： ( 1 ) 通常u n i x 的核心悬不可切换的。当一个进程运行予核心态，例如执行系 统调用的时候，它将不被换出，直到退出核心态，即从系统调用返回，或困慕糖 原因耳孬阻寒，如等待y o 设备竞成动馋。就是说，这段时阅之蠹是不能进行进程 切换蛉，这榉，实时事件螅鄹黠响应巍然瞧就无扶谈起了。 ( 2 ) u n i x 核心中为了缣汪核心数据的完整潦，在遗入对关键核心数据结构避 彳亍修改的所谓“临界送”时惯常采用“关中断”的办法。诧时系统无法对中断做 出晌应。我们知道，非周期的实时进禚大多是囱中断触发的；对于周期性实时避 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 程焉畜，也浠要谣发模块涞调瘦运行，i | ；调瘦模块豹执行稔洽是蠢时钟中薮骈舷 发的。所以频繁的关中断导致实时任务不能被及时调度执幸亍。 ( 3 ) 分时系统针对一般情形，为提高资源利用率，提高系统懿体处理能力所 铰瓣傻讫，巍在嚷应辩阉土带来了缀多不确定性。黧请求分页静淘存警壤辊制使 得代码、数据被调入的时间成为不确定的；而磁盘操作的缓冲机制又给读取文件 的时间带来不确定性。而在实时系统中，这些不确定因素是不能容忍的。 憨之，蔽然瑟瓣l i n u x 内核中已经襁步支持实辩任务。经是l i n u x 韵痰核诵凄 策略纂本是仿照u n i x 而来，因此，在核心态下不会发生抢先、切换。并且，l i n u x 在核心态下能长时间屏蔽中断。这在保证核心能以较高的速度运行的同时，也使 褥l i n u x 懿实瑟李洼并不理怨。 针对这贱问题，我们将在第三章提如解决措施。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 第三章嵌入式l in u x 系统的定制 3 1 嵌入式l in u x 设计 3 1 1 系统工作原理 一个小型的e m b e d d e dl i n u x 应该包含以下组件： ( 1 ) ab o o tu t i l i t y ( 2 ) l i n u xm i c r o - k e r n e l 、m e m o r ym a n a g e m e n t 、p r o c e s sm a n a g e m e n t - 与t i m i n g s e r v i c e s ( 3 ) a ni n i t i a l i z a t i o np r o c e s s ( 4 ) d r i v e r sf o rh a r d w a r e ( 5 ) o d e o rm o r e a p p l i c a t i o np r o c e s s e st op r o v i d e t h en e e d e df u n c t i o n a l i t y ，也就是指 这个嵌入式系统上层所提供的功能。 除此之外还可以加入 ( i ) af i l es y s t e m ( p e r h a p si nr o m o rr a m ) ( i i ) t c p i pn e t w o r ks t a c k l i n u x 作为一个自由软件，近年来得到了极大的发展。但由于l i n u x 本身是一 个多用户的分时系统，即使是最新的l i n u x l 为核，也只支持初步的实时能力。要 将它用于嵌入式系统，必须解决好实时化和压缩系统规模两大问题。 使l i n u x 具有更高实时的措施： 一个解决办法是在l i n u x 上实现p o s i xl b 规范，该规范扩展了诸如信号量、 内存锁定、时钟、计数器、消息队列和抢先调度等实时机制。但该规范较适合于 工作站系统，对于嵌入式系统来说显得过于臃肿，将导致系统占用更多的资源。 较好的解决方案是不对l i n u x 作较大的改动，而是在原来的l i n u x 为核上增加 一个实时内核，该实时l i n u x l 为核只需完成尽量少的底层任务，如所有的线程和 低级进程管理、f i f o 、进程通信和中断处理等。改进后的系统能运行于两种模 式下：实时l i n u x 模式和非实时l i n u x 模式。而非实时l i n u x 核作为实时l i n u x 模 式下的一个低优先级任务运行，这样，高优先级的实时任务就能对非实时l i n u x 模式进行抢先。 显然，为了能实时地处理设备中断，必须修改中断屏蔽和中断使能指令，使 电予科装大学硬学燕论文：无线移动囊组织嬲络鞭 宰与较 孛乎蠹的研究 中断屏蔽指令不赢接对硬件屏蔽寄存器进行，而是设置一个软标志。相应于两种 内核模式，将中断也应分为两灏：由实时l i n u x 模式控制的中断和由非实时l i n u x 模式控利豹中凝，螽者不仅在镶震帮修改裹核土受翻类似实融任务曩梯豹隈澍， 在中断处理中检测到属于非实时模式中断，同时软标志又蹩上的话，将受到屏蔽， 直到执行了中断使能指令后才能继续。如果发现是实时模式中断，将允许其立即 继续。这静瘫掇中凝辊铡使褥系统无法霹蔽实薅中凝，逶过这秘方式实魂设冬中 断的实时响应。 上述方案引出了进程通信方面新的问题：实时任务与非实时l i n u x 之间的通 信鳃俺实蠛? 这霹淤傻瘸f i f o 管道撬铺实褒遽信。蛊于f i f o 管遴没寿管道黠发 送和接受双方必须属同进程族的限制，也不要求信息流具有长度，本身还具有 很好的同步机制，在没有信息可取时保持堵塞，信息到达时唤酸。所以非实时 l i n u x 胃爱慕震循繇读取f i f o 管遴中寒鑫予蜜辩任务戆蔼惑熬方式进行王馋。采 用f i f o 进行通信还有一个好处，不需要为同步通信编写专门的代码，例如，制 用f i f o 很容易实现信号蹩，既使问题简单化，又程一定程度上减小了系统的规 模。 3 1 2 实时内核的构建 l i n u x 其备作为嵌入式操俸系统的基本条件，在很多方面它还有自己独特瓣 携势。l i n u x 是源代码公开豹免费软拳， 但l i n u x 在实时性能上存在着不足， 这一诱惑楚其它操 乍系绞无法毖拟的。 不能满足高实时性系统的要求，下面我 们来分析如何解决l i n u x 实时性能不足的问题。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 l i n u x 的实时性能分析 l i n u x 任务l i n u x 任务l i n u x 任务 f 。 用户级 ，系统调用 上 系统调用 、，内核级 l i n u x l 为核 工 硬件设备 图3 - 1l i n u x 的系统结构 图3 1 是普通“n u x 的系统结构。分析操作系统的实时性能主要有两个技术指 标：系统任务切换时间和系统中断延迟时间。而主要影响这两个指标的因素有以 下三个方面： 令任务调度策略 在操作系统中，任务切换时间包括保存目前任务时间，新任务调入系统时间 和操作系统选择下一个任务的调度时间，任务调度时间是决定任务切换时间长短 的主要因素。而影响任务调度时间主要有两个方面：任务调度策略和被调度的任 务数。调度策略越简单，被调度的任务数越少，调度时间就越短。对于一个实时 性能较强的操作系统来说，系统必须规定不同进程的优先级，把不同类型的进程 分成不同的队列，并把优先级作为唯一的进程调度标准，尽量缩短任务调度时间。 l i n u x j = e 要执行的任务分成两种类型的进程：一般进程和实时进程，系统可以通 过s c h e ds e t s c h e d u l e r 系统调用设置实时进程，通过s c h e d u l e o i 函数来调度最值得运 行的进程。l i n u x 通过g o o d n e s s ( ) 函数设置实时进程的权重为它的c o u n t e r 值加 1 0 0 0 ；设置一般进程的权重只为它的c o u n t e r 值。所以，实时进程比所有一般进程 有更高优先级，总能得到优先运行。 但l i n u x 调度程序的设计主要是针对于台式计算机操作系统，重点考虑的是 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织网络硬件与软件平台的研究 在应用程序的吞吐量上，即采用了一种“公平共享”的策略保证所有进程得到平 均的c p u 时间。实时进程中没有对各个任务的急需情况而再进行细分，且所有实 时进程和非实时进程放入一个r u n q u e u e 队列中，被调度的任务数增多，会使任务 重调度时间增长。所以，l i n u x 进程调度策略还不是一个好的实时系统任务调度 策略。 - 目前实时操作系统中的任务调度策略使用最广泛的主要可分为两种：一种是 静态表驱动方式，另一种是固定优先级抢先式调度方式。 静态表驱动方式是指在系统运行前，根据各任务的实时要求用手工的方式或 在辅助工具的帮助下生成一张任务的运行时间表，这张时间表与列车的运行时刻 表类似，指明了各任务的起始运行时间以及运行长度，运行时间表一旦生成就不 再变化了，在运行时调度器只需根据这张表在指定的时刻启动相应的任务即可。 静态表驱动方式的主要优点是：运行时间表是在系统运行前生成的，因此可以采 用较复杂的搜索算法找到较优的调度方案；运行时调度器开销较小；系统具有非 常好的可预测性，实时性验证也比较方便。这种方式主要缺点是不灵活，需求一 旦发生变化，就要重新生成整个运行时间表。由于具有非常好的可预测性，这 种方式主要用于航空航天、军事等对系统的实时性要求十分严格的领域。 固定优先级抢先式调度方式则与通用操作系统中采用的基于优先级的调度 方式基本类似，但在固定优先级抢先式调度方式中，进程的优先级是固定不变的， 并且该优先级是在运行前通过某种优先级分配策略( 女 1 r a t e m o n o t o n i c 、 d e a d l i n e m o n o t o n i c 等) 来指定的。这种方式的优缺点与静态表驱动方式的优缺 点正好相反，它主要应用于些比较简单、比较独立的嵌入式系统，但随着调度 理论的不断成熟和完善，这种方式也会逐渐在一些对实时性要求十分严格的领域 中得到应用。目前市场上大部分的实时操作系统采用的都是这种调度方式。而我 们将要用到的m o n t a v i s t a l i n u x 也借鉴了这种思想。对l i n u x 调度策略进行了改 进。 为了实现实时任务和非实时任务的分别调度，我们要根据不同的任务属性建 立多个任务列表，并采用二阶段调度法。 第一阶段，构造一个属性判别模块，判断当前实时任务的调度属性，即优先 级、起始时问、截止时间以及权值。随即进入调度选择模块，完成当前实时任务 电子科技大学硕士学位论