（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的gsmgprs无线通信模块的设计和实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式操作系统的进一步发展，以及无线通信技术的进一步普及，以嵌入式 操作系统为平台，依赖于无线网络数据传输的多媒体移动终端( 如p d a ，信息家电) 逐渐成为l t 新的发展趋势。 嵌入式操作系统是当今研究的热点，而嵌入式l i n u x 以其稳定、高效、易定制、 易裁减、硬件支持广泛等特点，结合其独具的免费、丌放源代码等特征，使得l i n u x 在近两年内迅速崛起成为嵌入式领域的一匹黑马。 当今的无线通信技术处于一个更新换代的时期，无线通信网e 在从2 g 过渡到3 g 。 在3 g 还没有正式成为使用标准之前，g p r s 是从2 g 过渡到3 g 一个较好的解决方案 g p r s 允许在现有的g s m 网络之上，提供比g s m 更高速i n t e r n e t 和其它分 n 网络 ( x 2 5 ) 的全球性无线接入。 本文首先详细阐述了g s m g p r s 的基本原理，g s m ( 3 p r s 硬件模块的基本硬件 构造和相应的工作原理；同时对g s m g p r s 硬件模块和基于嵌入式l i n u x 操作系统的 硬件系统板的通讯进行较为详细的介绍；最后对硬件模块的应用环境和预期达到以 及可能遇到的困难和关键技术的作了介纲。 在此基础之上，重点分析了g s m g p r s 驱动程序和应用系统的设i , t 方案，通过 分析嵌入式l i n u x 操作系统的特性，根据无线多媒体终端的需求，提出一个接二f 嵌入 式l i n u x 操作系统的g s m g p r s 模块系统设计方案，该方案具有高内聚，低耦合，扩 展性好，可移植性等优点。 最后，本文具体描述了系统各个功能模块的详细实现过程和测试过程。 关键字：嵌入式操作系统，l i n u x ，g s m ，g p r s 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em o r ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h em o r ep o p u l a r i z a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s sm u l t i m e d i at e r m i n a l s ( w m t ) ( e g p d a ， i n f o r m a t i o nh o m ea p p l i a n c e s ) ，w h i c ha r eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m sa st h ep l a t f o r m sa n d d e p e n d o nw i r e l e s sd a t at r a n s m i tt e c h n o l o g y , b e c o m e st h en e wt r e n do f1 t d e v e l o p m e n t e m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m s a r et h em a i n p u r p o s eo f c u r r e n tr e s e a r c h t o d a ym o r e e m b e d d e dd e v i c e su s el i n u xt h a nn u c l e u so rv r t x ，a n di ti sg a i n i n gg r o u n do ne m b e d d e d w i n d o w sa n dp s o s t h e r ea r em a n yf e a t u r e sw h e nu s i n gl i n u xa se m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ：s t a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e ，e a s yc u s t o m ，w i d eh a r d w a r es u p p o r t ，e t c b e c a u s eo f t h e s ef e a t u r e s ，e m b e d d e dl i n u xg r o w u p ab l a c kh o r s ei nt h ee m b e d d e d s y s t e mf i e l d t o d a y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi si nt h ep e r i o df r o m2 gt o3 g t h r o u g h3 g i ss t i l ln o tas t a n d a r df o ra p p l i c a t i o n ，i tw i l lt a k et h ep l a c eo fg s mi nt h ef u t u r e n o w a d a y s g p r si st h et r a n s i t i o n a ls o l u t i o nf o r m2 gt o3 gg p r ss e r v i c ea l l o w st h ew i r e l e s sn e t w o r k p r o v i d e sm o r eh i g l ls p e e d t oa c c e s si n t e r n e to ro t h e r p a c k e tn e t w o r k s ( x 2 5 ) i nt h i sp a p e r w ef i r s tp r e s e n tt h eb a s ek n o w l e d g eo fg s m g p r sw i r e l e s sp r o t o c o l s a n di n t r o d u c et h ew i r e l e s sh a r d w a r ew o r k i n gm e t h o d a f t e rt h a t ，w et a k eal o o ka tt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng s m g p r sw i r e l e s sh a r d w a r ea n dw m t s y s t e mb o a r d a tl a s t ， w e g i v eo u t t h ec l a s s i ca p p l i c a t i o na n d e x p e c tg o a l so f t h eh a r d w a r ed e v i c e b a s e do nt h ep r e v i o u si n t r o d u c t i o na n di n f o r m a t i o n ，w ef o c u so nt h e d e s i g n o f g s m g p r sd r i v e r a n d a p p l i c a l i o ns y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e m b e d d e dl i n u xa n dt h er e q u i r e m e n t so fw m t w eg i v eo u taf e a s i b l ed e s i g ns c h e m ef o r g s m g p r s a p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e d o ne m b e d d e dl i n u x i th a sg o o d c o m p a t i b i l i t y , g o o d e x t e n s i b i l i t ya n dg o o dt r a n s p l a n t y a tt h ee n do ft h ep a p e r ，w ep r e s e n tt h ei m p l e m e n t a t i o na n d t e s t i n go fe v e r ym o d u l eo f t h ew h o l e s y s t e mi nd e t a i l s k e y w o r d s e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，l i o u x ，g s m ，g p r s 玎 独创性声明 木人声明所早交的学位论文屉我个人n ：导师 斤导f 、进行n f 究 ：”：烛j k 徊 的研究成果。尽我所生i i 除交l | 1 已经标明引川的内容外木论文不包禽f t 何其他 个人或集体已经发表或撰写的研究成聚。对木文的研究做f f i 员献的个人雨j 集体 均已在文中明确方式标明。木人完全意诌 到声明的法律结果 木人承担。 学协论义作者篇名面狡砰b f f 期：a 衅f ，月0 1 1 学位论文版权使用授权书 木学位论文作者完仝了解学校有关保留、使川学佗论文的朋定，【肌学校7 f 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复r l r t l , , l ：t i f 【lr 版，允r f ：论义破布嘲用l 借阅。本人授权华中科技大学可以将本j ! ； ：何论史或于i 椭锝复制下段保存车l 嘲编小 学位论文。 保密口，在彳f i 解密衍适川本授权l 5 。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以1 ：方框内打“”) 学位论文作者签名：歃赢伟 f = i 期：a f ，月。r i 指导教师锯 ： i j c p 尹 f ： 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 g s m g p r s 已经发展成为比较成熟的无线通信技术。随着无线通信技术进一步发 展，依赖于无线网络数据传输的多媒体移动终端( 如p d a ) 逐渐成为心的发展趋势。 在这种移动设备上，不仅嵌入了手机的基本功能：语音通话，s m s 短消息，更重要的 是提供了g s m g p r s 数据服务功能。这种发展方式最终导致了g s m g p r s 模块的 产生。s m g p r s 模块是一个支持g s m g p r s 协议的硬件模块，它将无线协议相关的 部分，完全封装在硬件中，对外提供了串行口( c o m ) 和u s b 进行访问。 如何遵循嵌入式l i n u x 的设计及编程规范，设计出效率高，移植性好的g s m g p r s 驱动程序以及应用系统，将是本文中着重论述的一部分。 1 1 无线通信技术和嵌入式操作系统的发展状况 g s m g p r s 无线通信技术和嵌入式操作系统都是当前币处于飞速发展的两种i i i 沿技术，具有极强的理论研究价值和工程实践价值。 g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i c e ) t 1 i 是通用分组无线业务的简称。作为2 5 g 通信 技术的代表，g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对 网络资源和无线资源的利用。 用于控制设备的计算机，也叫做嵌入式系统，它的历史几乎和计算机自身的历史 一样长。它们最初于六十年代晚期在通讯中被用于控制机电电话交换机。由于在过去 的十多年里，计算机产业不断朝着更小的系统方向发展，嵌入式系统也与之一起为这 些小型机器提供了更多的功能。渐渐地就需要把这些嵌入式系统连接到网络一l ，因 而也就产生了对网络协议栈的要求，这提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和 接口，其中还包括了操作系统的服务。随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个充满 希望的新时代。而作为二十世纪人类社会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一 个充满机遇的阶段后p c 时代。嵌入式操作系统是后p c 时代的代表它已经成 为数字化产品的核心。形式多样的数字化设备最大的特点就是越来越多把i n t e r n e t 连 接到人们生活的各个角落。 移动计算设备，如p d a ，将成为发展的新趋势。如何在嵌入式操作系统之上构建 华中科技大学硕士学位论文 无线通信系统成为研究的主要课题。无线多媒体终端将无线通信、网络浏览、视频点 播、文字处理、电子邮件、个人事物管理等功能集成在小型的i n t e lp x a 2 5 5 嵌入式系 统之上，为无线通信技术和嵌入式l i n u x 的研究迈出了峰实的一步。 而本文中介绍的无线通信系统的设计和实现为无线通信技术和嵌入式l i n u x 相结 合提出了大胆创意的解决方案，并且讨论了其实现过程，为在嵌入式操作系统上无线 通信模块的设计提供了理论和实践的支撑，具有一定的研究和学习价值。 1 2 课题来源 本论文基于以下课题为基础进行研究：长江通信集团公司与华中科技大学互联网 技术与工程中心合作的无线多媒体终端项目，该项目主要是研究利用嵌入式操作系统 设计和开发出一种广泛适用的多媒体平台，具有体积小，功能强等特点。而g s m g p r s 应用系统的设计和实现，正是该项目中极为重要的模块。本文所研究的内容矿是该项 目的子课题，无线多媒体终端的驱动程序和应用系统的设计和实现。 1 3 研究内容 本文的研究目标是根据具体项目的需求，设计和实现基于嵌入式l i n u x 操作系统 的g s m g p r s 应用系统的设计和实现，并结合工程实践和实际应用需求对 g s m g p r s 应用系统及其相关技术进行理论研究和探索。 本文的研究内容主要有以下几个方面： 研究g s m g p r s 硬件系统设计介绍 根据具体需求( 项目需求和应用需求) ，设计g s m g p r s 系统的体系结构 研究g s m g p r s 的a t 指令集的特点以及可扩展性 研究g s m g p r s 的a t 指令集解析器的设计方案和设计特点 研究基于嵌入式l i n u x 的g s m g p r s 驱动程序的设计特点 研究g s m g p r s 驱动程序与其他同类型驱动程序的区别和先进性 研究基于嵌入式l i n u x 的g s m g p r s 应用程序的设训特点 研究g s m g p r s 系统的可扩展性和可移植f # 。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题意义 g s m g p r s 无线通信技术和嵌入式操作系统都是当前f 处于飞速发展的两种前 沿技术，具有极强的理论研究价值和工程实践价值。如：g s m g p r s 无线网络增值服 务研究翻，研究基于g p r s 服务如何提供更多更好的增值服务，比如全球定位，实时 信息传输；嵌入式l i n u x 系统架构研究，研究嵌入式l i n u x 整体的系统结构，如何满 足各种嵌入式设备的需要，等等。无线通信技术和嵌入式操作系统相结合是当前项目 工程、理论研究的重点，如何基于嵌入式操作系统之上构建无线通信软、硬件环境是 研究的核心1 4 j 。 本文所讨论的系统作为基于嵌入式l i n u x 为操作系统的无线多媒体终端的个子 系统，有着相当的工程价值。本文讨论基于l i n u x 的g s m g p r s 无线通信系统是出于 研究和实践的需要，为未来的技术和产品提供整体设计参考。整个系统功能完备，配 置灵活，性能稳定，接口简单与嵌入式l i n u x 操作系统。同时，本系统兼具很好的可 移植性，它的实现过程以及核心的代码对类似应用具有很好的可重用性，只需通过较 小的修改就能移植到不同的操作系统和平台上。 本文提出的架构和设计原则对基于嵌入式l i n u x 和m i n i g u i 平台的其他功能模块 的设计和实现也有指导意义。 1 5 本文组织结构 本文以基于嵌入式l i a u x 操作系统平台的无线多媒体终端的无线系统为： 三题，围 绕有关模块的设计与实现，及其理论研究进行叙述，本文的其他章节及其主要内容如 下： 第二章对g s m g p r s 系统及其帽关的技术进行了全面的介绍，详细阐述了 g s m g p r s 硬件构造和特点；对嵌入式u n u x 操作系统和相关的平台进行介绍。 第三章介绍了基于i n t e lp x a 2 5 5 处理器的无线多媒体终端的设计方案，在此雉础 之上，从设计需求、支撑环境和总体方案这三个方面，详细分析了g s m g p r s 系统 的设计方案。 第四章详细阐述了g s m g p r s 系统的实现细节，首先介绍了系统i t 的整体结构， 华中科技大学硕士学位论文 然后备个基本模块进行了详细的设和分析，这包括了g s m g p r s 驱动模块的设玑 g s m g p r s 的a t 指令集解析器的设计，g s m g p r s 上层电话管理模块没计， g s m g p r s 网络控制模块设计。从数据结构，实现细节，实现流程图儿个方面对 g s m g p r s 整个系统进行了详细的介绍和分析。 第五章介绍了g s m g p r s 系统的测试方案，分析了测试方案的发计，介绍了测 试所用的软硬件环境。摄后列举了测试的结构。 第六章总结了全文的工作，提出了系统可能的进一步改进，展望了无线通信技术及其 相关技术发展前景。 4 华中科技大学硕士学位论文 2g s m g p r s 无线通信模块相关知识介绍 本章对g s m g p r s 理论知识进行全面的介绍，详细阐述了g s m g p r s 无线通信 模块的基本结构，工作原理，对不同的g s m g p r s 模块应用模式也进行了详尽的分 析。接下来对系统所用到操作系统平台和相关软件支持进行详细的介绍。摄后对 g s m g p r s 应用系统设计中的可能遇到的技术难点进行了分析和讨论，提出可行的解 决方案。 2 1g p r s 无线通信技术简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。g p r s 是 g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以 及相同的t d m a 帧结构。因此，在g s m 系统的基础上构建g p r s 系统时，g s m 系 统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。 s i g n a l i n gi n t e h a c e 。s i g n a l i n ga n dd a t a - t r a n s f e ri n t e r f a c e 图2 1g p r s 逻辑结构图 g p r s 的主要特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资 华中科技大学硕士学位论文 源和无线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，日分配方式f 分灵活：每个t d m a 帧可分配1 到8 个无线接口时隙【5 】。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配是 独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率( 每用 户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 2 、c s 3 和c s 。4 四种编码方案。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也 允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数 据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在o 5 1 秒之内恢复数据的重新 传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 f 7 ) 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节 点( s g s n ) ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全助能 和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点 g g s n ，g g s n 支持与外部分组交换网的互通，并经山基于l p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 f 8 1 g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能山s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备( m e l 可通过s i m 访 问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具备g p r s 功能。 ( 9 ) 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某一特定的蜂 窝。m s 在重选择另一个蜂窝或蜂窝组f 即一个路由区) 时会通知网络。 ( 1 0 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告知 网络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进行如f 操作：接收基于 g p r s 的的s m s 服务、经由s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 ( 1 1 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分维数据地址。这个操作使 华中科技大学硕士学位论文 m s 可被相应的g g g s n 所识别，从而能盯始与外部数据网络的互通。 ( 1 2 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之问透明地传输，它使用的方法是封装和隧 道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明 的传输方法缩减了g p r sp l m n 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新 的互通阱议。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 ( 1 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( o o s ) 的计费功能， 计费方式更加合理，用户使用更加方便。 ( 1 4 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层款可使用多种传输技术，很方便地实 现与高速发展的l p 网无缝连接。 2 2 g s m g p r s 无线通信模块基本结构 2 2 1 基本结构 g s m g p r s 无线通信模块是一个封装了e - g s m g p r s9 0 0 1 8 0 0 o j m 弼j , 频模块。该 模块有以下特点： 3 v s i m 卡接口 日历实时时钟 g s m g p r s 软件协议栈 硬件支持g p r sc l a s s2 串口连接 s i m 卡支持 键盘支持 l c d 支持 整个无线硬件模块主要由三个部分组成。第一部分主要是射频部分，该部分负责 无线信号的传输；第二部分主要是模块的控制部分，该部分蕾要mc p u ，s i m 控制器， 键盘控制器，音频接口，电源管理组成，主要负责g s m g p r s 吣议部分以及划个模 块的管理；第三部分主要由g p c n ( g e n e r a lp u r p o s ec o n n e c t ) 组成，f j 来提供对外的 控制接口，通过这些外部控制引脚，可以对该硬件模块进行通讯，还可以对该模块进 行完全的控制。 华中科技大学硕士学位论文 硬件模块的整体结构图如下所示 i m n m “vi 叫”o 嚣 一 i ! 盟! ：型： 一- 臣 ；-_hlio价immc； 图2 2g s m g p r s 无线模块结构图 对硬件的结构有了清晰的了解后，下面对模块的工作原理进行介绍。 2 2 2 工作原理 g s m g p r s 模块是无线多媒体终端的无线部分的组成。模块和主硬件板电路问的 通讯是通过串行口进行的【9 】。在串口之上，系统可以通过a t 指令来对该模块进行操 作和控制，比如拨打电话，收发短信，等等；而模块也会通过a t 指令的形式告知系 统当前的状态。 图2 3 通讯接口 如图2 2 所示，系统通过串行口同无线模块相连，对其进行监控。在串r i 通讯中， 双方都必须使用约定好的传输协议，在这罩我们直接使用书1 ：的马| ) ( 动，对数据不进 行任何的加工，直接按照a t 指令集”o 】的格式将控制数据发送到串行u 。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 应用模式 g s m g p r s 模块主要是用来通讯和网络连接而使用的。无线多媒体终端通过无线 模块可以实现两个主要的功能：第一个主要功能是电话管理功能，该功能是g s m 语 音处理完成的，用来与其他p l m n 和p s t n 网络中的电话进行通讯；第二个主要功能 是网络数据传输，该功能利用g p r s ( 通用分组无线业务) 高速数据传输的特点，将 无线多媒体终端随时随地同i n t e r n e t 相连【1 1 1 ，获得最新的资讯和新闻。 2 _ 2 3 1 电话管理功能 电话管理功能是g s m g p r s 模块系统设计中所要完成的主要功能之一。电话管理 主要是与p l m n 和p s t n 中的电话进行通讯而设计的，除此之外，还可以通过该功能 进行无线网络问的短信传输。在硬件支持下，电话管理提供给用户一个图形化的界面， 将底层的所有的信息都屏蔽起来，用户看到的就是一个操作简单的功能齐备的图形界 面。对用户来说，所有的操作只需通过鼠标或者键盘来进行输入，就可以实现拨打、 接听电话，发送、接收短信和电话设置等等功能。 2 2 3 2 网络数据传输 图2 4 电话管理示意 网络数据传输是g s m g p r s 系统设计中另一个很重要的部分。该功能主要完成整 个无线多媒体终端同外界的联系，这种联系通过和i n t e r n e t 网络的通讯，完成整个系 统的更新，网页的访问，邮件的收发等功能。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 数据传输示意 该功能依赖于g p r s 高速的网路数据传输速度，与原有的g s m 网络能够提供的 9 6 k b i t s 1 列3 】的速率相比，g p r s 提供了一个更高速的数据传输通道。该数据通道提 供的速率可以从9 0 5 k b i t s 1 4 1 s 】到1 7 1 2 k b i t s 】1 1 5 】，最高速率可以达到接近2 0 0 k b i t s ， 这个速度几乎是g s m 传输速率的2 0 倍。因此通过g p r s 与i n t e m e t 进行数据的交换 是g s m g p r s 系统设计主要实现的功能。出于主系统板通过串口线与无线模块相连， 所有的数据都必须通过串行口的驱动束传送，这些数据包括a t 指令数摒，网络数莸i 包，还有一些模块自定义的状态数据包。如何分离和处理这些数据包，是在设计该功 能应该考虑的问题。 2 3 嵌入式l l n u x 介绍 从八十年代术开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k s ， o s o s ，n e c u l e u s 和w i n d o w s c e 。但这些专用操作系统都是商业化产品，其商昂的价 格使许多低端产品的小公司望而却步；而且源代码封闭性也大大限制了丌发者的积极 性。l i n u x 作为嵌入式操作系统，与其它商业化的嵌入式操作系统相比有着与生俱柬 的优势。 嵌入式l i n u x 具有以下特点： 开放的源代码，丰富的软件资源。 功能强大的内核。性能高效、稳定，多任务，易丁裁减。 支持多种体系结构，如x 8 6 ，a r m ，m i p s ，a l p h a ，s p a r c 等。 完善的网络通讯、图形、文件管理机制。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 至至垂亟型i 图2 6m i n i g u ! 消息处理过程 m i n i g u l 支持如下几种消息的传递机制。这些机制为多线程环境下的窗口问通讯 提供了基本途径： 通过p o s t m e s s a g e 发送。消息发送到消息队列后立即返回。这种发送方式称为“邮 寄”消息。如果消息队列中的邮寄消息缓冲区已满，则该函数返回错误值。 通过p o s t s y n c m e s s a g e 发送。该函数用来向不同于调用该函数的线程消息队列邮 寄消息，并且只有该消息被处理之后，该函数爿能返回，因此这种消息称为“同 步消息”。 通过s e n d m e s s a g e 发送。该函数可以向任意一个窗口发送消息，消息处理完成之 后，该函数返回。如果目标窗口所在线程和调用线程是同一个线程，该函数直接 调用窗口过程，如果处于不同的线程，则利用p o s t s y n e m e s s a g e 函数发送同步 消息。 通过s e n d n o t i f y m e s s a g e 发送。该函数向指定的窗口发送通知消息，将消息放入 消息队列后立即返回。由于这种消息和邮寄消息不同，是不允许丢失的，因此， 系统以链表的形式处理这种消息。 通过s e n d a s y n c m c s s a g e 发送。利用该函数发送的消息称为“异步消息”，系统赢 接调用目标窗口的窗口过程。 2 5 g s m g p r s 无线通信模块的设计讨论 g s m g p r s 无线通信模块是基于嵌入式l i n u x 和m i n i g u l 平台进行设计的，方 面该系统的设计必须满足在前面提到的所有功能，同时还要符合嵌入式l i n u x 的结构 化，模块化的设计规范，m i n i g u l 的编程规范。在设计之前，总体的想法是在l i n u x 串口驱动程序之上，开发一个虚拟g s m g p r s 驱动程序，用来完成数据包的传输和 解析过程：在这个程序之，卜，利用m i n i g u l 的a p i 完成r 乜话符理功能的设计。 华中科技大学硕士学位论文 3g s m g p r s 无线通信模块系统方案设计 本章分析了g s m g p r s 系统的设计方案，首先介绍了基于嵌入式l i n u x 为操作系 统的无线多媒体终端的设计方案。并在此基础上，从需求设计总体设计和洋细设计 这三个方面，对g s m g p r s 的系统做了完整而详尽的分析。同时对在设计中遇到的 问题，也给出了很好的解决方案。 3 1 无线多媒体终端整体设计方案 本文论述的无线多媒体终端是基于i n t e lp x a 2 5 5 处理器的嵌入式多媒体平台，采 用了嵌入式l i n u x 作为操作系统。 该终端主要由无线通信模块，终端处理器，输入设备和输出设备四个模块组成。 该终端为用户提供一个多媒体应用的平台，在此平台之上可以实现多种形式的应用： 公用多媒体终端，公用多媒体社保查询终端，无线p o s 终端，汽车导航监控装置，移 动物流终端等小型或手持型嵌入式终端。 因此，无线多媒体终端是一个开放式的平台，不仪能够很好的进行系统软件的升 级，而且具有很好的扩展性，能够为第三方软件提供很好的接口。 3 2 g s m g p r s 无线通信模块系统设计 3 2 1 设计需求 g s m g p r s 无线通信模块主要有两个主要功能：电话管理功能和网络数据传输功 能。由于串口是一个独占形式的访问设备，因此在进行电话管理或者网络数据传输时， 是无法同时进行另一种功能应用的。换句话说，电话管理功能和网络数据无法同时进 行。但是在需求设计报告中，需要电话管理功能和网络数据同时进行，而丹互不t 扰。 电话管理功能主要由以下功能模块构成： 电话功能模块 短信收发功能模块 电话簿模块 华中科技大学硕士学位论文 电话设置功能模块 网络数据传输功能主要完成以下功能模块： 网络连接断丌控制模块 网络数据传输控制模块 3 2 2 问题的提出 g s m g p r s 无线模块的软件是构建在嵌入式l i n u x 之上，在设计的时候除了注意 满足操作系统接口设计规范外，还要考虑到同其他功能模块的接口：p p p 网络通讯模 块，邮件收发系统，嵌入式浏览器，系统更新模块。如何设计一个有着友好的接口的 软件系统，是我们接下来要讨论的问题。在讨论这个问题之前，我们要对模块的多种 数据格式支持的问题做一个讨论。 在通常情况下，一个d c e 18 j ( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 设薪和个d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 1 e l 设备进行通讯的时候，数据通过串口进行传输，是没 有经过封装的。由于串口设备属于低速设备，在l i n u x 操作系统，是爿用轮询l l g ( p o l l m o d e ) 的方式对串口进行访问。在这种情况下，如果在串口上有多种数据进行传输， 而d t e 又在处理收到的数据，其他的程序对串口上的数据进行处理，就只有等到浚 d t e 处理完，释放串口设备，才能够进行。 d c ed t e 图3 1d c e 和d t e 串f l 通讯模式 从图3 1 中看到，d c e 是无线多媒体终端的系统板，而d t e 是g s m g p r s 无线 通信模块。在通信过程中，由于d t e 在串行口上发送多种数据的时候，d c e 无法通 过串行口获得d t e 当前的状态，也无法对d t e 进行控制。这是在挫个系统设计中不 允许出现的，这样会导致d t e 的状态无法预知从而导致整个程序或者硬件状态机 的混乱。而日，在d c e 端有多个进程需要对无线模块进行访问，刚才已经提到了， 华中科技大学硕士学位论文 这贱进程包括：p p p 网络通讯摸块，邮什收发系统，嵌入式浏览器，系统更新模块。 多令送疆耨霰要簿串鼙逡行访滴，黎嚣要鼹d t e 避嚣按裁嚣操终，稻梵一束，瘦予 串翻是一个慢速的独占设备，于是在以上的情况下，就会出现访问冲突，导致各个进 程阃出现死锁，最终会导致系统的崩溃。由此可见，通道这种直接构建在串口驱动之 主熬传辕模式，不仅无法满怒各令应援避纛翔熬凌戆调瓣，连无法满怒邀话管理秘爨 络数据的同时传输。因此我们必须对d c e d t e 的工作状态做褶应的修改。 为了d c e 端各个进程对串口进行独占式的访问，就必须在串口的驱动之上，建 立一嵇豹巍静熊够满足系统鬟装豹驱动，褒该驱动之上，为d c e 斌之上敦冬令遴疆 攥供“类独占”的设备访问。程设计该驱动程序之前，蓠先我们定义了一种掰的蒸予 串口之上的数据传输协议，该协议称为数据命令复禽执议模式( d a t a c o m m a n d s m u l t i p l e x i n gp r o t o c 0 1 ) 1 2 0 。该搬议是我们实现该系统的纂秘b 。 3 2 3 数据命令复合协谈 从以上的介绍可以知道，光线多媒体终端和g s m g p r s 无线通傣模块通过串妇 霆 爹逶诿簿，会蠢多释鼗攥形式塞接逶遂窜潜驱动进孬佟辕。为了送魏这些数摄澎式， 更为了统一这些数据类型。我们定义了一种新的数掘封装形式，称为数搦，命令复合协 议( d a t a c o m m a n d s m u l t i p l e x i n g p r o t o c 0 1 ) 。该协议是运行存d c e 和d t e 之l f l j 的，馊 褥焱溺一条串墨之上能够弱瓣避簿嚣耱形式鹣会话；一一令姥a t 掺令，舅一令是数掇 通信。 数据，命令复台协议串口上传输的a t 指令和数据分别进行了封装，f 面给出了 愆密令毽( a t c o m m a n d p a c k e t ) i 2 】纛数攒毽( d a t a p a c k e t ) 戆錾装终式巍嚣翻。 3 2 3 1 a t 指令包封装格式 每条a t 掺令都会按照协议的要求封装到一个协泌趣r i ，为了_ 秘数撰包( d a t a p a c k e t ) 区掰，森汝议惫中增赧了一个包头。一个完整的汾议包由三个字节豹数掭龟 头( h e a d e r ) ，一条完整的a t 指令和一个字节的校验和( c h e c k s u m ) 组成。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 圈：丑j 王工匝 f a ts t a np a n e r n 一 0 x a a | a tc 。m 。”dl 。”g l hl 8 b l “”s g ”1 。们2b i 8 ) a t c o m m a n d p a t t e r n - 0 x l d 辣s b 磷蝴b i t s 8 髀阮憾 a t c o m m a n d d a t a a t c o m m a n d d a t e c h e c k s u m 图3 。2 a t 指令封装格式 从图3 2 中可以看出，该协议包头的起始字节为固定的数值( 0 x a a ) ，用来作为 a t 数攒包豹识别标患。第二个字节代表了a t 指令的低锭长发( l s b ) ，褥第三个字 爷的菇矗健用寒撩承a t 命令，磷低三位辩 弋表了a t 指令的赢谴长度( m s b ) 。予憝， l s b 和m s b 组芹【l 在一起，可以给出该协议包中a t 指令的具体长度，而最后一个字 节怒对该协议包麴校验。如果梭验和有错误，证明该协议包在传输中出现了错误，波 该豢簿。 3 2 3 2 数据包封装格式 每令在事露上馋竣懿数据憩萃# a t 鑫令一檬，也翥要瓣装爨凑丢雯识r 沁凌秘汉氛 的构造与p l t 指令包的构造基本相同，主要隧别在于协议包头的识别称虑，也就是胁 议靓的起始字节，a t 命令包起始字节为0 x a a ，而数据包为0 x d d 。逐有一个比较熬 耍黝送剐是蛰议怒麴第三巾字磐+ 矗薯密令承第三个 字苇瓣离矗整爝曩乏括淤a t 攒令， 是麟定值0 x d ，黹对于数据融，用来表示不同数据包类型。 华中科技大学硕士学位论文 日 三i 三正正i 三工习 d a t as l a r tp a t t e r n 一 0 x d d d a t ap a c k e tl e n g t hl s b ll o ws i g n i f i c a n tb i t s j m s b 【m o s ts i g n i f i c a n t d a t ap a c k e tt y p e ：l o - 4 ) b i t s ) d a t ep a c k e l d a 协p a c k e t c h e c k s u m 图3 3 数据包封装格式 从图3 3 中可以看到，数据包的类型要多于a t 指令包，因为a t 指令本身就是一 个封装好，设计好的数据格式，不需要对其进行过多的定义。但是数据包却有多种形 式，因此仅仅通过起始字节来确定数据包是不够的，还需要通过协议包的第三个宁节 的高五位确定数据包的类型，才能对数据包做出j 下确地处理。 数据包的类型分为四种不同的类型，分别对应到第三字节高五位的0 ，1 ，2 ，3 数据类型表示。 0 一数据包( d a t ap a c k e t ) ：该协议包中包含了通过无线网络传输的数据。通常足通 过无线网络传输的网络数据，比如p p p 协议数据包。 1 一状态包( s t a t u sp a c k e t ) ：该协议包中包含了s a ，s b ，x 位和中断条件数据格 式如图3 4 所示： 图3 4 状态包数据格式 所有的状态字多定义在一个字节中；状念发生改变的时候( 中断状态出外) ，所有的 状态位都会发生相应的变化。 2 一就绪包( r e a d yp a c k e t ) , 该协议包表示当前无线模块已经准衙就绪，i v 以接收 数据，该协议包中没有数据传送。 3 一繁忙包( b u s y p a c k e t ) ：该协议包表示当前无线模块处于繁忙，无法接受数据。 和就绪包相似，该协议包中也没有数据传输。 下面我们将比较一下未使用数据命令复合协议帚 使用数据命令复合m 议，格个无 线模块的工作方式，以及在串【ll ：数据传输的形式。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 ，3 3 一个简荤囊勺例子 奁没有使焉隆议封装时，a t 指令通过攀口直接迸 亍传送，用a s c i i 和十六避制 可以表示为： a 弧r nc = 0 x 4 1 0 x 5 40 x o d0 x o a 该命令静应答鲡下： r n o k 、r nc = = 0 x 0 d 0 x 0 a0 x 4 f0 x 4 b0 x 0 d0 x o a 从该例子可以褥出结论，对于在串口线路上传输的a t