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基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 摘要 近年来，由于i p 电话在长话通信中能够节约大量的费用，所以它受到越来 越多的人的关注。本文主要内容就是在嵌入式系统上开发基于h 3 2 3 协议的网守 系统。网守( g a t e k e e p e r ) 作为i p 电话的一个重要的组件，它具有对通信终端 ( t e r m i n a l ) 进行注册，认证、呼叫管理等功能，网守还能为计费系统提供基本 的计费信息。 本论文的第一部分设计了一个嵌入式系统平台。作为开放性源代码的自由软 件，l i n u x 操作系统具有其它嵌入式操作系统所不具备的优势，所以本文选用 l i n u x 操作系统作为网守程序的软件开发平台；a r m 处理器具有高性价比，低功 耗，能够得到广泛的操作系统和实时操作系统的支持，所以本文选择以a r i 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 开发板作为开发的硬件平台。本文的第二部分内容是设计个嵌 入式系统应用程序一网守系统模型。该网守系统模型是基于h 3 2 3 协议栈上的设 计和实现的。h 3 2 3 协议栈是由i t u - t 制订的一个多媒体通信协议，主要用于电 话应用。虽然该协议已经得到了很大的完善，但是这里还有很多问题值得探讨。 本文设计的模型能够实现带宽管理、地址解析、呼叫管理等主要功能，并针对网 守系统中出现的负载不平衡的问题，提出了相应的改进方案，建立了一个端点同 时注册多个网守的模型。为了评估这个模型的性能，本文进行了相应的实验，采 用二个主要的性能指标呼叫拥塞率和信道利用来评定改进后网守的性能。实验结 果显示呼叫拥塞率和信道利用都得到了很大的优化。 关键词：h 3 2 3 协议，r a s ，网守，嵌入式l i n u x r e s e a r c ho f g a t e k e e p e r s y s t e m b a s e do ne m b e d d e dl i n u xo s a b s t r a c t r e c e n t l y , i pt e l e p h o n e i sa t t r a c t i n ga ni n c r e a s i n ga m o u n ta t t e n t i o nf o r t h er e a s o nt h a ti th a st h ep o t e n t i a lt os i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec o s to f l o n g d i s t a n c ev o i c ec o m m u n i c a t i o n m a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ri sd e s i g n a n dd e v e l o p m e n to f g a t e k e e p e r b a s e do ne m b e d d e dl i n u xo s g a t e k e e p e r i s p r o v i d e d w i t h r e g i s t r a t i o n ，a d m i s s i o n a n dc a l l m a n a g e m e n t f o r t e r m i n a l sa sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f i p p h o n e ，a n da l s op r o v i d es o m e b a s i c a li n f o r m a t i o nf o rr a d i u ss y s t e m s a ne m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mi sd e s i g n e di nt h ef i r s tp a r to ft h i s a r t i c l e s a saf r e es o f t w a r ew h i c hs o u r c ec o d ei so p e n ，l i n u xo sh a sm u c h a d v a n t a g ew h i c h o t h e ro s e sh a sn o t ，s oe m b e d d e dl i n u xo si sc h o s e nf o r s o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m o fg a t e k e e p e r ；b e c a u s eo fi t s h i g h p e r f o r m a n c ew h i l el o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m e ，a n ds u p p o r t e db ym a n y o s e so rr e a l - t i m eo s e s ，$ 3 c 2 4 10 bs o c ( s y s t e mo nc h i p ) b a s e do n a r m 9 2 0 t p r o c e s s o ri s c h o s e nf o rh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f g a t e k e e p e r a ne m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a m g a t e k e e p e rs y s t e m p r o t o t y p eb a s e do n h 3 2 3p r o t o c o li sd e s i g n e di nt h es e c o n dp a r to f t h i s a r t i c l e s h 3 2 3i st h es t a n d a r d o fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，w h i c hw a s d r e w u pb y1 1 1 t ，a n dm a i n l y u s e di nt h et e l e p h o n e ， w h i l eh 3 2 3i sc o n t i n u o u s l yr e v i s e d t h e r ea r es t i l lm a n y i m p o r t a n ti s s u e s n e e d e dt of u r t h e rd i s c u s s i o n t h ep r o t o t y p ei nt h i sp a p e rc a nr e a l i z et h e m a i nf u c t i o n so fg a t e k e e p e rs u c ha sb a n d w i d t h m a n a g e m e n t ，a d d r e s s t r a n s l a t i o na n dc a l lm a n a g e m e n t ，a n d p r o p o s e ai m p r o v e dm e t h o dw h i c h i st h a to n ee n d p o i n tc a nr e g i s t e rs e v e r a lg a t e k e e p e r sa to n et i m et od e a l w i t ht h e p r o b l e m o ft h e g a t e k e e p e r s u n b a l a n c e d t oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tb yt h el o a db a n l a n c i n gm e t h o d ，w ec o n d u c t c o r r e s p o n de x p e r i m e n t , a n d f o c u so nt w o p e r f o m a n c em e t r i c s ， c a l l b l o c k i n gr a t i oa n dc h a n n e lu t i l i z a t i o n e x p e r i m e n t a lc o n s u l t ss h o w t h e c a l l b l o c k i n g r a t i oa n dc h a n n e lu t i l i z a t i o na r e o p t i m i z e dw i t ht h e p r o p o s e dl o a d b a n l a n c i n g m e t h o d k e y w o r d s ：h 3 2 3p r o t o c o l s ，r a s ，g a t e k e e p e r ，e m b e d d e dl i n u x 声明 独仓q 性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： 日期： 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 第一章绪论 1 1 课题研究的价值和现实意义 v o l p ( v o i c eo v e ri p ，基于i p 协议的语音通信) 也称为i p 电话，它诞生于 c t i ( c o m p u t e rt e c h p h o n yi n t e g r a t i o n ) ，是随着c t i 的发展而发展起来的。“i p 电话是i p 网与公用电话网相结合的产物，最初是利用i n t e r n e t 来实现语音通信。 与传统电话相比，i p 电话具有很多优势。i p 电话采用先进的压缩技术，可以将 话音信息压缩到1 0 k b i t s 咀下，而传统电话一般采用6 4 k b i t s 的语音压缩技 术：i p 电话采用的是分组交换方式，利用统计时分复用技术，带宽的使用是按需 分配，而传统电话采用的电路交换方式，利用时分复用技术，一旦接通电话，双 方都要独享6 4 k b i t s 的信道。由于i p 电话占用的资源较低，对用户而言，i p 电话的最大的优势在于它的费用很便宜，目前国际上i p 电话的资费一般不到同 距离长途电话的3 0 。i p 电话不但可以传递语音，而且它还可以传递视频、文本 等多媒体技术的平台，因此它可以提供比传统电话更多的业务。“3 随着i p 网络的大规模建设和发展，其覆盖范围越来越大，网络性能越来越 高；并且现代数字信号处理技术和语音压缩编码技术的进步，使得v o i p 技术正 在经历从良好到一流的语音质量，从可以接受到高度的可靠性的转变过程。现在 i p 电话正逐步发展一种多媒体通信，i p 电话的业务也在不断扩大，最终i p 电话 将会成为电信网的基本业务。 目前，构造v o i p 电话系统的最成熟和应用最广泛的标准就是h 3 2 3 协体系。 它和其它的相关通信协议一同为多媒体信息的编码、通信过程的呼叫、媒体信道 的控制以及媒体流的传输方式等内容都作了统一规范。在基于h 3 2 3 体系的i p 电话系统中，网守( g a t e k e e p e r ) 是其中的一个重要管理部件。它具有对通信终端 ( t e r m i n a l ) 进行注册、认证、呼叫管理等功能，网守还能为计费系统提供基本 的计费信息。0 1 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内，嵌入式系 统带来的工业产值已超过了l 万亿美元。嵌入式系统不仅在计算机领域，而且在 电子、工业控制、航天等领域都有很广泛的应用。目前，一些先进的p d a 能够实 现中文输入、短消息发布。对于企业专用的解决方案，如物流管理、条码扫描、 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 移动信息采集等，小型手执嵌入式系统将发挥巨大作用。在自动控制领域，嵌入 式系统不仅可以用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专用设各，而且还可以和 移动通信设备、g p s 、娱乐相结合。 现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，各种嵌入式产品将会不断涌现，同时 嵌入式产品的市场也会不断扩大，因此，在嵌入式系统上开发i p 电话中的网守 系统，具有重大的市场经济价值意义和技术创新意义。 1 2 国内外的研究动态 i p 电话作为电信运营商的一个基本业务，网守作为其组成部分是必不可少 的。目前，国内外的网守系统的主要功能如带宽管理、呼叫认证、呼叫管理等都 已经得到实现并不断完善，网守系统的功能也得到了扩展。如网守系统中还具有 带宽预留( 由r s v p 协议规定) 、目录服务和管理信息库等功能，这些功能在国内 外网守产品中也有很好的体现。网守中最重要的一个功能就是路由功能，现在网 守可以支持多种路由策略，根据呼叫计价、网络路由、网络带宽、网关负载等多 种复合因素，通过优先级排列变换构成多种预置路由策略，以充分满足各类用户 的需求。网守还支持动态更新路由表，在运行中根据路由信息变化报告实时动态 更新路由表。网守还支持容量扩充，可以能过网守硬件的升级来支持多个呼日_ 的 路由及相关处理。在软件模块的设计上坚持模块间相互独立，使得功能易于增加、 升级。【4 】 然而，由于h 3 2 3 协议还在不断完善之中，协议对网守的主要功能如带宽管 理、地址解析和呼叫路由还没有完整确切的定义，所以在运营时网守会出现了一 些问题，所以对于网守的改进也在不断进行中。h 3 2 3 协议定义了一个终端只能 注册到一个网守上，由于每个网守有一定的容量，所以在运营商的网守群中，就 有可能会出现些网守负载过多，另一些网守负载过于空闲，从而造成一些网守 处理呼叫的能力大大降低，另些网守没有得到充分利用。为了解决这个问题， 本文在设计网守的过程，对该题作出了相关的讨论，并提出了解决方案。 1 3 本论文的主要内容 本论文的主要内容是在嵌入式l i l 2 t x 系统上，开发专用于i p 电话酌应用软 件一网守。本文首先在第二章简单介绍了嵌入式系统相关内容。在第三章设计了 一个嵌入式系统，系统的软件平台采用嵌入式】i n u x 操作系统，硬件平台是基于 2 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 a r m 9 内核的s 3 c 2 4 1 0 处理器平台。第四章是在嵌入式平台上进行网守系统的设 计和实现。第五章针对网守系统存在的问题，提出了自已的解决方案。在第六章 里本文对改进后的网守系统进行了测试，通过对两个评定指标呼叫阻塞率和信道 利用的测试结果进行分析，得出改进后的网守系统性能呼叫路由性能已经得到了 大大的改善。 基于嵌入武l i n u x 的秘守幕统韵研究 北京邮电大学硕士学位论j 2 0 0 5 第二章嵌入式系统和嵌入式操作系统 2 1 嵌入式系统介绍 2 1 ：1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。 1 5 】 幺1 2 嵌入式系统的构成 嵌入式系统主要分为嵌入式硬件系统和软件系统，嵌入式硬件分为处理器和 输入输出设备，而嵌入式软件系统分为嵌入式操作系统和应用软件，图2 - 1 显示 嵌入式系统的构成。 图2 1 嵌入式系统的构成。 2 2 主流嵌入式l in u x 操作系统介绍 目前国际上有两百多种嵌入式操作系统，这些嵌入式操作系统分为实时操作 系统和非实时操作系统。实时操作系统是指产生系统输出的时间对系统至关重要 的操作系统，从系统输入到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接受的时限 内。大部分嵌入式操作系统都是实时操作系统。下面介绍几个著名的嵌入式操作 系统。【6 】 4 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 w i n d o w sc e ： m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。它不是削 减的w i n d o w s 9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程，完整优 先权，多任务的操作系统。w m c e 采用模块化设计，并允许它对于从掌上电脑 到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少 2 0 0 k 的r o m 。从s e g a 的d r e a m c a s t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑，都 采用了w i n d o w sc e 作为操作系统，其缺点是价格过高，使得整个产品的成本急 剧上升。为了应对嵌入式操作系统领域日益激烈的竞争，微软推出了一项授权价 仅3 美元的精简版本w i n c e n e tc o r e w i n c e n e tc o r e 具有基本的功能，包括实 时核心、档案系统；i p v 4 、i p v 6 等联网功能。该款w i n c e 主要面向语音电话、w l a n 的无线桥接器和个性化视昕设备。 v x w o r k s ： v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计的操作系统，它为程 序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务通 信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不用关心系统资源 的管理。v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。 它支持多种处理器，主要应用于单片机、数据网络( 以太网交换机、路由器) 和 通信等多领域。其核心主要功能包括：微内核w i n d ，任务间通信机制，网络支持， 文件系统和i o 管理、c + + 以及其他标准支持等。v x w o r k s 操作系统是非常优秀 的操作系统，但它在嵌入式系统中的价格是相当高昂的。 p s o s ： i s i 公司已经被w i n p d v e r 公司兼并，现在是属于w 试d 础v e t 公司的产品。这 个系统是一个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供 一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和搞可靠性。可 以让开发者将操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者 可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 q n x ： q n x 是一个实时的，可扩充的操作系统，。它提供了一个很小的微内核以及 一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网 络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都实现 甚于嵌入武l i n u x 的网守系统的研究北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速 度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成微小的嵌入式 操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。q n x 操作系统广泛应 用于各种应用领域。由于其体系结构具有非常好的伸缩性，用户可以把应用程序 和q n x 内核直接编译在一起，生成一个单一的多线程映象。q n x 遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) ，因此它具 有非常好的可移植性。 p a l m o s ： 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操 作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 目前已经有总共3 5 0 0 多个应用程序可以运行在p a l mp i l o t 上，其中大部分应用 程序均为其他厂商和个人所开发，使得p a l mp i l o t 的功能得以不断增多。这些软 件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等等。在开发环境方面。可以在 w i n d o w s9 5 9 8 ，w i n d o w sn t 以及m a c i n t o s h 下安装p a l mp i l o td e s k t o p ；p l a m p i l o t 可以与流行的p c 平台上的应用程序如w o r d ，e x c e l 等进行数据交换。 o s - 9 ： m i c r o w a v e 的o s - 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛 应用于高科技产品中，包括消费电子产品，工业自动化，无线通讯产品，医疗仪 器，数字电视多媒体设备中。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入 式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 u c ，o s ： u c o s 是一个典型的实时搡作系统。该系统从1 9 9 2 年开始发展，目前流行 的是第2 个版本，即u c o s i i 。它的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码， 代码结构清晰、明了，注释详细，组织有条理，可移植性好，可裁减，可固化。 内核属于抢占式，最多可以管理6 0 个任务。该系统短小精焊，是研究和学习实 时操作系统的首选。 l y n x o s ： l y n xr e a l t i m es y s t e m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实 时操作系统，它遵循p o s i x 1 a 、p o s i x 1 b 和p o s i x 1 c 标准。l y n x o s 支持线程 概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提供一些传统的，非实时系统的服务特 6 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 征；包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于m o t i f 的用户图形界面，与工业标 准兼容的网络系统以及应用开发工具。 l i n u x ： l i n u x 操作系统是芬兰学生l i n u s 于1 9 9 1 开发的一个操作系统。现在，l i n u x 已成为当前最流行的免费操作系统。只要遵守g p l ( g n u 通用公共许可证) ，任 何人都可以自由使用l i n u x 的源程序。l i n u x 操作系统符合国际通用标准，拥有 先进的网络特征和真正的多用户、多任务能力，系统性能十分稳定，可移植性强， 操作非常灵活。此外，嵌入式l i n u x 不仅支持x 8 6 芯片，丽且是一个跨平台的系 统，到目前为止可以支持二、三十种c p u 。同时，嵌入式内核的结构在网络方面 是非常完整的。可以提供包括以太网络、无线网络等在内的多种网络的支持。此 外，高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方。l i n u x 开始用于服务器领域，有较高的可靠性。嵌入式l i n u x 虽然对内核进行了一些裁 剪，但仍然保持了原l i n u x 高可靠性的特点。在应用l i n u x 开发的产品一般很少 有系统崩溃的现象。 7 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 第三章嵌入式系统的设计 3 1 嵌入式硬件平台的设计 3 1 1 嵌入式处理矗的选择 嵌入式硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么 样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的 难度等因素。 和其它嵌入式处理芯片相比，a r m 内核具有优良的特性，其性价比也是很 高的。所以该课题选择了a r m 处理器芯片。网守程序是个多进程的任务，对处理 器的要求很高，它要求硬件具有存储管理单元( m m u ) 。在a 跳系列的处理芯片中， a r , m 9 2 0 t 具有存储管理单元( 删) ，其功能适用对网守程序的处理。本论文选择 a r m 9 2 0 t 内核的微处理器s 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式硬件平台。下面分别介绍a r m 处理 器、a r m 9 2 0 t 内核和$ 3 c 2 4 1 0 开发板的相关特点。 312a 刚处理矗的特点 采用r i s e 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 夺体积小、低功耗、低成本、高性能： 夺支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 夺大量使用寄存器，指令执行速度更快； 夺大多数数据操作都在寄存器中完成； 夺寻址方式灵活简单，执行效率高； 争指令长度固定： 耷 支持多种操作系统1 8 1 表3 1 是a r m 和几款嵌入式处理器的特性： 基于嵌入式l i n u x 的嘲守系统的母 究 北京邮电大学硕上学位论文2 0 0 5 处理器类型处理器价格 主要性能及应用 a r m 低 功耗低，适合于个人便携设备 d r a g o nb a l l 低 速度低，主要应用于p d a p o w e r p c高 通信、网络等设备单位附加值高，市场小，特别 对性能有较高要求，应用于高端嵌入式中 3 1 3a r m 9 2 0 1 核简介 表3 一l 常见的嵌入式处理器 a r m 9 系列处理器使用a r m 9 2 0 t d m i 处理器，其中包含1 6 位的t h u m b 指令集， 使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销得到3 2 位的性能。a r m 9 包括a p 3 d 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和a p o “9 4 0 t 三种类型，适用于不同市场需求，广泛应用于下一代无线设 备、机顶盒、家庭网关、打印机等。a r m 9 t d m i 内核采用五级流水线，单一的3 2 位基于先进微控制器总线结构( a m b a ) ，内存保护单元( 舻u ) 支持r t o s ，包括 v x w o r k s a r m 9 2 0 t 核在通过a r m 9 t d m i 内核的基础上增加了存储管理单元( 删) 和指 令与数据缓存( c a c h e ) 。在基于a r m 的嵌入式系统中，存储系统通常是通过系统 控制器协处理器c p l 5 完成的，除了c p l 5 外，在具体的各种存储器管理机制中可 能还会用到其他的一些技术，如在存储管理单元中除了c p l 5 外还使用页表。在 a r m 中采用页式虚拟存储管理，虚拟地址空间分为一个个固定大小的块，每一块 为一页，物理内存的地址空间也分成同样大小的页，页的大小分为粗粒度和细粒 度两种，存储器管理单元主要用来完成虚拟存储空闻到物理存储空间的映射。m m u 设置了虚拟存储空间的缓冲特性，控制对存储器访问的权限。a t 9 1 p o “9 2 0 0 中的 m m u 支持4 9 i g a b y t e 的虚拟地址空间供内核和外围使用，并支持w i n d o w sc e 、p a l m o s 、s y m h i a no s 、l i n u x 等实时操作系统。通常a r m 处理器的主频为几十髑z ， 有的达到了2 0 0 m h z ，而一般的主存储器采用动态存储器( d r a m ) ，其存储周期仅 为l o o n s 2 0 0 n s ，如果指令和数据都存放于存储器中，主存储器的速度将会严重 制约整个系统。高速缓冲存储器( c a c h e ) 和写缓冲器( w r i t eb u f f e r ) 位于主 9 基于 嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 存储器c p u 之间，c a c h e 与主存储器之间以块( c a c h el i n e ) 为单元进行数据交换。 在程序中通常相邻的一段时间c p u 访问相同数据的概率是很大的，这种规律称为 时间局限性，时间局限性保证了系统采用c a c h e 后，通常性能都得到很大的提高。 8 】 31 48 3 c 2 4 10 微处理嚣和外围芯片介绍 s 3 c 2 4 1 0 芯片处理器的内核是1 6 3 2 位a r m 9 t d m i 精简指令结构处理器， 内置1 6 k 指令1 6 k 数据缓存。a r m 9 t d m 内核是一种低功耗，通用微处理器内 核，是业界公认的低成本，高性能最佳内核之一，它具有存储管理单元( m m u ) 。 该芯片除了微处理器内核外，在芯片中还集成了许多外围设备，这样可以使设计 者可以快速的开发产品，不用再考虑复杂的外围时序电路了。在时钟方面，该芯 片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发 生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 该芯片集中 了3 个异步串口通道，2 个同步串口通道，4 个d m a 通道，8 个1 0 位的a d c 接口，2 个u s b 主设备1 个从设备端口。其它的外围设备还包括1 个可编程中 断控制器，1 个s d 多媒体存储卡接口，1 2 c 总线接口，2 4 个通用编程通道。 3 1 5s 3 c 2 4 1 0 评估扳的基本配置 该开发板的c p i j 为a r m 9 2 0 t 内核m e 星$ 3 c 2 4 1 0 x ，主频为2 0 3 m h z 。3 2 m 的 图3 1s 3 c 2 4 1 0 开发板 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 f l a s h ，6 4 m 频率为1 3 3 m h z 的r a m ，有一个i o m 的以太网卡，两个d b 9 标准串口。 一个j t a g 接口，它主要用来下载b o o t o a d e r 程序。图3 - 1 是$ 3 c 2 4 1 0 开发板的 产品图。 3 2 嵌入式软件平台的设计 32 1 嵌入式操作系统的选择 选择什么操作系统作为嵌入式系统的软件开发平台，主要取决于系统要实现 的功能、开发的成本和难度、系统的可移植性等几个方面。 夺应用开发要实现的功能本文开发的网守系统是个多进程的应用程序，它对 系统执行的时间的要求非常严格，所以它要求嵌入式操作系统必须是实时操作系 统面且应该具有虚拟内存管理功能。 夺开发成本和难度很多嵌入式操作系统都需要一定的版权税，在嵌入式操作 系统世界里l i n u x 和u c o s 是免费的操作系统，u c o si i 是个简单的操作系统， 其代码量很少，在上面适合进行简单的开发。丽l i n u x 操作系统功能非常强大并 且性能很稳定，在上面可以进行复杂的应用开发。嵌入式开发成本的考虑不仅体 现在操作系统是否免费，而且还要考虑基于操作系统开发的难度，人员的投入等 综合方面。由于操作系统和在上面开发的应用程序需要移植到硬件平台，所以我 们需要对操作系统进行改造，改造的难度也将直接影响开发的成本。 夺可以利用的开发资源很多嵌入式操作系统对广大开发者都是封闭的，基于 这些操作系统的开发所利用的资源会很少。而l i n u x 操作系统和w s n c e 操作系统 都有大景的资源可以利用，这是它们被人看好的原因。由于有大量的资源可以利 用，也将会降低开发的难度，进而会降低开发成本。 夺系统的可移植性操作系统是否支持硬件平台，也成为选择操作系统的个 重要标准。在这方面，l i n u x 操作系统和w i n c e 搡作系统都支持很多处理器，包 括a r m 处理器，已经有很多这方面移植的项目，表明这两个系统都是很优秀的操 作系统。 夺中文化支持有很多嵌入式操作系统对中文支持不够，我们需要下载相应的 中文字库。l j n u x 操作系统在中文化方面需要迸一步努力，不过现在有很多自由 基于嵌入式l i n u x 的嘲守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 软件的志愿者对l i n u x 的中文化做出了很大的贡献，相信l 1 1 3 l i x 操作系统将越来 越被中国人所接受。 我们对l i n u x 操作系统与其它专用的操作系统做了番比较，由于l i n u x 操 作系统具有成本低、易于开发、系统性能稳定，可移植性强等特点，其综合性能 更适合我们这个项目的开发条件，所以晟后我们选择了l i n u x 操作系统做为我们 这次开发的软件平台。表3 - 2 是l i n u x 与其它操作系统的比较。 专用嵌入式实时操作系统嵌主式l i n u x 操作系统 每生产一件产品需交纳一份版权 版权费 免费 费 购买费用人民币数十万 免费 全世界的自由软件开发者提供 技术支持由开发商提供有限的支持 支持 网络特性另加人民币购买免费而且性能优异 易，代码开放，有许多应用软 软件移植 难，因为系统封闭 件支持 应用产品 开发周期长，因为可参考的代码短，产品上市快，因为有许多 开发周期有限 开放的代码供参考和移植 需改进，可用r t - l i n u x 实肘模 实时性 好 块来弥补 稳定性好 较好，在高性能系统中要改进 表3 - 2 嵌入式l i u x 与其它专用嵌入式操作系统的比较 3 2 2 构建一个嵌入式l i n u x 系统 夺嵌入式l i n u x 系统主机目标板架构 开发嵌入式l i n u x 系统采用的主机目标板的开发环境，本文采用的主机 目标板架构为连接式设置。这种设置是将主机和目标板用一条串口线或网线连接 起来，主机和目标板之间通过串口线或网线来传递数据。图3 2 表示了这种连 图3 - 2 主机和目标板连接方式 甚于聩入式l i n u x 的错守系统的研究北京邮电大学 哽士学位论文2 0 0 5 接方式。 夺嵌入式l i n u x 主机环境的设置 开发嵌入式系统之前，必须先设置好主机的跨平台的开发环境。由于用来开 发目标板系统的主机环境和目标板环境并不相同，所咀在开发主机时需要设置好 适合能够在目标板上运行的跨平台的环境，也叫做交叉编译环境。为了对任何目 标板进行应用程序的交叉开发，我们需要将各种二进制工具程序集成进工具链， 其中包括如l d 、g a s 、a r 、c 链接库( g l i b e ) 。这些工具链的各个组件都是自由软件， 我们使用的工具链程序包为：b i n u t i l s 2 1 0 1 、g c c 2 9 5 3 和g l i b c 2 2 3 。下面分别描 述g n u 工具链各组件建立的过程。 首先我们对环境变量的设置，在建立交叉编译环境之前，我们需要定义一些 额外的环境变量，利用这些环境可以简化建立的程序。本文是建立处理器为a r m 目标平台，所以在建立嵌入式环境时必须设置这个环境变量，否则系统就不能建 立交叉编译环境。这个命令如下： e x p o r tt a r g e t = a r m l i n u x 这里t a r g e t 变量就是用来定义目标板的类型，系统将会根据此目标板类 型建立工具链。 设置c 链接库时需要使用到内核头文件。我们使用的l i n u x 内核是2 4 2 1 的 内核。对l i n u x 内核进行交叉编译时，需要对内核进行定制，在这里必须选择正 确的处理器a r m 处理器。设置好内核配置后，将内核相关的头文件拷入到建立 嵌入式系统相关的目录下。 我们选择b i n u t i l s 工具包来生成嵌入式开发的g n u 的汇编器、链接器等二 进制工具。这些工具必须编译成交叉编译工具链，所以在选埂上也必须选择a r m 处理器。这里有个重要的配置命令 c o n f i g u r e - - i a r g e t = $ t a r g e t c o n f i g u r e 执行后会为包中每个工具程序产生适当的m a k e f i l e ，然后我们利用 生成的m a k e f i l e 文件就可以生成合适的交叉编译工具。 在目前主阶段我们建立引导编译器，这个编译器只支持c 语言。等到c 链 接库编译好以后，我们会重新编译g c c 并提供完整的c + + 支持。在建立引导编译 器时选择好正确的配置参数：只编译g e e 软件包的c 编译器，选择 基于嵌入式l i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 e n a b l e l a n g u a g e = e ，经过交叉编译后产生g e c 的交叉编译器a r n l 1 i n u x g c c 。 有了g e c 的交叉编译器以后，我们可以利用它对g t i b c 进行交叉编译了。g l i b c 套件常被称为c 链接库，它由许多链接库组成，目标板必须依靠它来开发太部 分的应用程序。我们利用前面产生的交叉工具链来生成在嵌入式环境下的c 函 数库。编译完成后生成的g l i b c 库还不能使用，因为这个库只是进行第二次编译 所需要的工具。后面的工具都需要连接到这个库上。有了g l i b c 库后，我们就可 以创建完整的g e e 交叉编译器了。这里有个重要的选项：- e n a b l e l a n g u a g e = c ，c + + ， 产生后的交叉编译器将包括a m 1 i n u x g 十+ 。这样整个跨平台的开发工具链就设 置好了，我们可以使用这些工具来编译运行在目标平台的应用软件了。在下节中 将介绍对嵌入式目标板系统的设计。 夺嵌入式l in u x 目标振系统的槊构设计 目标板系统需要三个最基本的组件：目标板引导程序、l i n u x 内核和根文件 系统。目标板引导程序的作用为初始化处理器、初始化硬件设备、下载镜像文件， 还负责将f l a s h 的内核装入到r a m 中并启动。l i n u x 内核是整个操作系统的核心。 内核控制所有的硬件，并对系统执行的软件提供高级别的硬件抽象。根文件系统 是内核启动时默认使用的文件系统，由诸如e t c 、u s r 等目录组成。图3 - 3 是 嵌入式l i n u x 目标板系统的设计图： 系统上电b o o t l o a d e r 开始启动，b o o t l o a d e r 初始化后把根文件系统镜像文 件装入r a m 中。b o o t l o a d e r 执行完成将启动l i n u x 内核i n i t 进程，l i n u x 完成 初始化，最后会启动系统中的应用程序。这里的应用程序将调用g l i b c 库函数。 图3 3 嵌入式l i n u x 目标板系统设计图 下面描述b o o t l o a d e r 程序设计过程： 1 4 基于嵌入式l h a u x 的网守系统的研究北京龆电大学硕士学位论文2 0 0 5 b o o t l o a d e r 是操作系统启动之前首先执行的那段代码，它的作用主要是初始 化系统的硬件设备，包括设置处理器的速度、地址空间的映射等，最后将跳转到 操作系统的入口地址，交给操作系统执行。下面是我设计的b o o t i o a d e r 结构图： 图3 - 4b o o t l o a d 结构图 当目标板上电启动时，系统进行中断向量表的设置，这里只处理复位中断向 量程序，其它程序只是简单循环跳转。下面是一些简单的代码段： l d rp c ，r e s e t _ a d d r l d rp c ，u n d e f i n e d _ a d d r 系统进入复位状态后跳转到复位程序地址处执行，系统进行一些初试化，包 括屏蔽所有的中断、设置c p u 的速度、点亮l e d 、初始化存储系统，下面的代 码实现了这些功能： 屏蔽所有中断 l d rr 0 ，i c _ b a s e m o v r l ，# o x 0 0 s 心r 1 ，【r o ，拌i c m r 】 设置c p u 的速度 1 d rr o ，p w r b a s e l d rr l ，c p u s p e e d 基于嵌入式i n u x 的网守系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 5 s 订r 1 ， 1 0 ，# p p c r 初始化l e d b 1l e d i n i i 建立内存空间 b l m e m s c t u p l e d i n i t 和m e m s e t u p 分别是l e d 和内存的初始化程序。 前面一段程序都是在r a m 中执行，接着系统将会执行c 程序段。c 程序段 代码量大，所以执行之前必须将这段代码下载到r a m 中 c o p y _ l o o p ： i d r n i a t o ! ， r 3 一r l o $ 1 1 1 1 i a r l ! ， r 3 - r