（信号与信息处理专业论文）嵌入式网络通信优化研究与仿真.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一种将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计 算机系统，正日益得到越来越广泛的应用，嵌入式系统网络化是当前的研究热 点之一。在嵌入式网络通信中，网络拥塞容易造成网络性能指标下降，而引起 网络带宽的资源浪费，因此通过网络优化提高其性能具有重要的研究意义。 本文在p c 机与嵌入式开发板之间实现网络通信的基础上，在精简的嵌入式 t c p 协议中采用了n a g l e 算法，有效解决了因大量小数据包传输而造成的网络拥 塞问题；此外，并在分析研究随机早期检测( r e d ) 算法的基础上，研究设计了一 种改进的r e d 算法，实验证明该算法在分组丢弃和稳定性上要优于r e d 算法， 从而有效地减少了网络通信带宽上的资源浪费。 本文的主要研究内容如下： 1 阐述了嵌入式系统的概念、分类和典型的嵌入式操作系统，在讨论嵌入 式网络化的基础上，详细分析了嵌入式i n t e m e t 的实现方法。 2 在研究$ 3 c 2 4 1 0 a 开发板和l i n u x 操作系统的基础上，建立了交叉编译 环境，对v i v i 和根文件系统进行烧写，并成功实现l i n u x 操作系统移植。 3 研究分析了t c p i p 协议栈工作原理，在讨论嵌入式应用层、传输层、网 络层以及数据链路层协议的基础上，对t c p 协议进行分析与精简，并在l i n u x 操作系统上实现服务器端与客户机端网络通信，然后下载到开发板，成功实现 p c 机与开发板之间网络通信。 4 在研究分析网络拥塞问题的基础上，对嵌入式t c p 协议采用了n a g l e 算 法，以此来有效回避网络拥塞现象，并对基于n a g l e 算法的嵌入式t c p 协议进 行网络仿真和验证，实验证明基于n a g l e 算法的嵌入式t c p 协议能有效改善协 议的吞吐率和延时抖动。 5 在研究分析了路由器端拥塞控制r e d 算法的基础上，研究设计了一种应 用于嵌入式加强( e n h a n c ee m b e d d e d ) 的r e d 算法，即e e r e d 算法，并运用n s 2 软件进行模拟仿真。实验证明e e r e d 算法在分组丢弃和稳定性上要优于r e d 算法，从而有效地减少了网络通信带宽上的资源浪费。 关键词：嵌入式系统，l i n u x ，网络通信优化，n a g l e 算法，e e r e d 算法 武汉理j ：人学硕士学位论文 a bs t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i sac u s t o m i z e d c o m p u t i n gs y s t e mt h a ti n t e g r a t e s t h e h a r d w a r e ，r e a l _ t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r et o g e t h e r i th a sb e e n u s e dm o r ea n dw i d e l yn o w a d a y s t om a k et h ee m b e d d e d s y s t e mn e t w o r k i n gi so n eo f t h er e s e a r c hh o t s p o t sa tp r e s e n t t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fn e t w o r kw o u l dd e c l i n e b e c a u s eo fn e t w o r kc o n g e s t i o ni nt h ee m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t h e n e t _ b a n d w i d t hw o u l db ew a s t e d s oi ti sm e a n i n g f u lt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi t t h r o u g ht h en e t w o r ko p t i m i z i n g t h en a g l ea l g o r i t h mh a sb e e na d o p t e di nt h es i m p l i f i e de m b e d d e dt c p p r o t o c o l i nt h eb a s i so ft h er e a l i z a t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n d e m b e d d e dd e v e l o p m e n tb o a r d i ts o l v e dt h en e t w o r kc o n g e s t i o np r o b l e mc a u s e db ya l a r g en u m b e ro fs m a l ld a t ap a c k e t se f f e c t i v e l y a n da ni m p r o v e de e r e d a l g o r i t h m h a sb e e nd i s c u s s e db a s e do nt h er e s e a r c ho fr a n d o me a r l yd e t e c t i o na l g o r i t h m ( r e da l g o r i t h m ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e dt h a tt h i sa l g o r i t h mi ss u p e r i o rt o r e da l g o r i t h mi np a c k e td r o p p i n ga n ds t a b i l i t ys ot h a ti tc a nd e d u c et h er e s o u r c e w a s t ei nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t he f f e c t i v e l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d a n dt h et y p i c a le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e na n a l y z e d t h er e a l i z a t i o n m e t h o do fe m b e d d e di n t e r n e th a sb e e nd e t a i l e dd e s c r i b e do nt h eb a s eo ft h e d i s c u s s i o no ft h ee m b e d d e d n e t w o r k i n g 2 t h ec r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h ev i v ia n dr o o t s f i l es y s t e mh a sb e e nt r a n s p l a n to nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fd e v e l o p m e n tb o a r d $ 3 c 2 4 1 0 aa n dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e n s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e da sw e l l 3 t h ep r i n c i p l eo ft c p i pp r o t o c o ls t a c kh a sb e e nr e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h et c pp r o t o c o lh a sb e e nd i s c u s s e da n ds i m p l i f i e di nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho f t h ep r o t o c o lo fa p p l i c a t i o nl a y e r , t r a n s m i s s i o 。nl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n dd a t al i n k 武汉理t 大学硕十学位论文 l a y e ri ne m b e d d e ds y s t e m t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nr e a l i z e db e t w e e n t h es e r v e ra n dc l i e n tb a s e do nt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，a n dt h e nt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nh a sb e e na c h i e v e db e t w e e nt h ep ca n dt h ed e v e l o p m e n tb o a r da f t e r t h ed o w n l o a d i n gt ot h ed e v e l o p m e n t 4 t h en a g l ea l g o r i t h mh a sb e e na d o p t e di nt h ee m b e d d e dt c pp r o t o c o lb a s e d o nt h er e s e a r c ho ft h en e t w o r kc o n g e s t i o ni no r d e rt oa v o i dt h en e t w o r kc o n g e s t i o n p r o b l e me f f e c t i v e l y n e t w o r k s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ee m b e d d e dt c p p r o t o c o lh a sb e e nd o n eb a s e do nt h en a g l ea l g o r i t h m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e m b e d d e dt c pp r o t o c o lb a s e do nn a g l ea l g o r i t h mc a nm o d i f yt h et h r o u g h p u ta n d l a t e n c yj i t t e ro f t h ep r o t o c 0 1 5 a ni m p r o v e dr e d a l g o r i t h mn a m e de e r e da l g o r i t h mw h i c hi sa p p l i e di nt h e e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e s i g n e db a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e r e da l g o r i t h mo nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o li nt h er o u t e rt e r m i n a l t h es i m u l a t i o nh a s b e e nw o r k e do u tt h r o u g ht h en s 2n e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h er e s e a r c hs h o w s t h a te e r e d a l g o r i t h mi ss u p e r i o rt or e da l g o r i t h mo np a c k e td r o p p i n ga n ds t a b i l i t y t h ea d a p t i v ea b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mh a sb e e ni n c r e a s e da sw e l l a n dt h er e s o u r c e w a s t ei nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t hh a sb e e ne f f e c t i v e l yr e d u c e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o no p t i m i z a t i o n ，n a g l e a l g o r i t h m ，e e r e da l g o r i t h m 此页若属实请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导雾雾指导下进行的研究工佟及取褥豹研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) 垂鹦日期塑：哇銎 关于论文使用授权的说明 本人宪全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采焉影 印、缩印戏其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在勰密后应遵守此规定) 研究生。签名，：垂鹦 导耀( 签名，：! i 至奎! ! 塾墨期兰! ! ：竺兰 武汉理工人学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 有数据预示全球每年的c p u 出产量中，9 5 以上都是嵌入式的微处理器。 而应用这些嵌入式微处理器的各种家电设备、仪器仪表等设备也正在逐渐地走 向网络化，以便共享互联网络中庞大的资源。i n t e r n e t 技术以及嵌入式系统技术 的发展孕育了嵌入式i n t e m e t ，嵌入式i n t e r n e t 是发展的一种趋势i l j ，嵌入式协议 栈是实现嵌入式i n t e r n e t 系统接入的基础。 t c p i p 协议栈是一个非常复杂和庞大的系统，它是互联网安全可靠通讯的 重要组成部分，通常在有操作系统支持的通用计算机上实现。但是，各种信息 家电设备、p d a 、仪器仪表、工业生产中数据的采集与控制等嵌入式设备有限 的处理能力以及存储资源的相对缺乏，使得传统的t c p i p 协议使用在这些嵌入 式设备下是不合适的。为了在这些嵌入式设备中既实现相应的网络功能又节省 系统资源，需要对t c p i p 协议进行有针对性的裁减。 在现在f 1 益信息化的生活中，计算机和网络己经渗透到工作生活的每一个 角落。各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机， 小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品，大到信息家电、车载g p s 系统等。而在工 业和服务领域中，使用嵌入式技术的数控机床、智能仪表仪器、服务机器人等 也将逐渐改变传统的工业和服务方式。因此，嵌入式网络化有着广阔的前景， 为了实现各种嵌入式设备的互联网通信，除了在网络硬件接口建设方面的开发 以外，一个重要的问题就是根据嵌入式系统资源有限、功能单一的特点开发一 套微型t c p i p 协议栈。 随着计算机网络技术和电子信息技术的迅猛发展，i n t e r n e t 的使用越来越普 及，它将丰富的信息带入了人们的同常生产和生活中，其应用领域也不断扩大。 除了传统的信息检索、电子邮件、远程登陆外，信息家电、远程数据采集、工 业控制等方面的兴起，使得嵌入式系统与互联网络相结合逐渐成为一种新的技 术发展方向。将嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的主要困难在于要将嵌入式系统 连入i n t e r n e t ，就必须让嵌入式系统支持t c p i p 协议栈。但是嵌入式系统中大量 武汉理+ r 大学硕十学位论文 存在的是8 1 6 位低速处理器，在进行i n t e r a c t 接入时，由于本身的计算资源和存 储资源都十分有限，很难实现完整的t c p i p 协议栈，因而实现一个简化的t c p i p 协议栈是很有必要的，所以研究精简的嵌入式t c p d p 协议栈对嵌入式网络通信 具有重大的意义。 在嵌入式网络传输中，因为网络的复杂性和不确定性，以及现在小容量的 t e l n e t 会话已经应用于大容量的客户服务器当中；实时话音和图像业务又给网 络增添了负担；网络中不同的数据流在路由器处交汇，给网络的路由节点造成 很大的负担，所以越来越严重的网络拥塞问题逐渐暴露出来。为解决这些问题， 仅增加互联网的容量是远远不够的，还需要有效的网络拥塞控制方法。在网络 通信中，拥塞容易造成延迟和吞吐量等q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 性能指标下降， 是影响带宽、缓存等网络资源利用率的关键因素，所以对嵌入式网络通信进行 优化，研究网络传输中的拥塞问题，减少嵌入式网络通信带宽上资源浪费等现 象同样具有实际意义。 本文的意义在于w i n d o w s 操作系统下t c p 协议已经加入了n a g l e 算法用来 避免大量小数据包在传输过程中产生的拥塞问题；在l i n u x 操作系统下采用 n a g l e 算法以此来有效解决网络拥塞问题同样具有实际意义。研究了一种应用于 嵌入式加强的r e d 算法，即e e r e d ( e n h a n c ee m b e d d e dr a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) 算法，在分组丢弃和稳定性上要优于r e d 算法，应用于嵌入式网络通信系统同 样具有实际意义。 1 2 国内外研究现状 嵌入式i n t e m e t 是近几年发展起来的一项新兴技术，国外许多大公司包括 e m w a r e 、m i c r o c h i p 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 等在内的数十个公司联合成立了“嵌入 式i n t e r n e t 联盟( e t i ) ”，来专门讨论和制定嵌入式t c p i p 领域的标准和开发相关 的技术，共同推动这一市场。目前美国e m w a r e 公司已开发出了针对嵌入式设备 因特网解决方案e m i t ，即嵌入式微型网络技术：m i c r o c h 公司在i n t e r n e t 接入应 用领域开发出i p i c 系列单片机，s i i 公司开发的t c p i p 协议栈芯片，t d k 、 i m o d e m 等公司为嵌入式i n t e r n e t 实现和应用系统的开发提供了切实可行的途径。 在工业测控领域，1 9 9 9 年成立的“工业以太网协会 ( i e a ) 正在积极致力于工业 以太网现场总线的研究开发，美国o p t 0 2 2 公司采用嵌入式i n t e m e t 技术，研制 2 武汉理r 大学硕士学1 ：7 = 论文 开发了“以太网i 0 系统”s n a pi o 系统，成功应用于工业控制、楼宇智 能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产的嵌入式 以太网控制器具备1 0 b a s e t 接口，运行f i p h 1 r r r p 厂r c p u d p 协议，应用于传感 器、驱动器等现场设备。 国外在嵌入式协议栈的研究主要集中在3 2 位平台上，水平领先于国内。国 外比较出名的开源嵌入式协议栈有w i p , l w i p , w c i p 等。c m x 公司发布的 m i c r o n e t 协议栈是一个商业的嵌入式t c p i p 协议栈。其代码大小在3 k 一2 0 k ， 从而能够较好的在8 位微处理器和1 6 位微处理器上运行。m i c r o n e t 可以说是国 际上针对8 位微处理器的协议栈中做得比较成功的产品之一。 在网络优化算法改进方面主要有：无线网络算法的改进【纠】，慢启动方面的 改进，m a s c o l o 提出的t c pw e s tw o o d ( t c p w ) ，p a g a n i n i 提出的h i g hs p e e d l 5 】 ( h s t c p ) ，cj i n a n d 提出的f a s tt c p w j ，麻省理工大学和柏克利等提出的x c p ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 以及在r e d 算法之后d l i n 提出的f r e d ( f l o wr e d ) 、 f l o y d 提出的a r e d ( a d a p t i v er e d ) 矛i f e n g 提出的b l u e 等算法；面对短期w c d 流b i n 提出的s u b r e d l 8 l ( s u b s i d i z e dr e d ) 和c l a y p o o l 提出的s h r e d l 9 ( s h o r t 1 i v e d f l o wf r i e n d l yr e d ) 等算法。其它的a q m 算法还有w e i g l e 提出的s y n c - t c p l l 0 1 、 n o r i o 提出基于数据流的d m f q l l l l ( d u a lm e t r i c sf a i rq u e u e i n g ) 、o r u g a n t i 提出基 于逻辑函数控制的p a q m 1 2 ( p r e d i c t i v ea q m ) 等算法以及研究人员利用控制理论 对a q m 机制进行分析：m a t t e w 分析t c p a q m 拥塞控制的全局渐近稳定【1 3 l 问 题、t a n g 提出t c p c h o k e 的平衡模型1 4 l 、h i r o y u k i 提出复杂闭环网络模型等f 1 5 1 。 中国计算机学会于1 9 9 9 年6 月举行了“嵌入式系统及产业化在中国的发展 前景”研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计算机工业中的地位及其网络 化问题，认为下一代网络设备中嵌入式设备将大大增加，7 0 是嵌入式设备。嵌 入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更简单、更方便、 更普遍、更适用。国内对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网 络上，对建立工业以太网控制网络还未进入到实质研究阶段。在产品开发方面， 北京英贝多公司历经多年的努力，已经具备和掌握了嵌入式i n t e r n e t 核心技术， 并在中国单片机公共实验室的支持下，研发出了具有自主知识产权的基于芯片 的超微型i n t e r n e t 网关和瘦服务器，为迎接i n t e r n e t 向嵌入式领域发展的第三阶 段做好准备工作。武汉力源公司也推出了专用网络接口芯片p s 2 0 0 0 ，目前国内 已经有基于该芯片的相关应用开发产品。 3 武汉理【人学硕十学位论文 作为国内e m b e d d e di n t e m e t 技术研究的重要参与者，东北大学c n c i 研究 所在研究e m b e d d e di n t e r n e t 技术的工作中已经取得了重要进展，成功的完成 t c p i p 协议栈的研究和开发工作。t c p i p 协议栈只占2 5k b y t e s 大小，该协议 栈为设备和i n t e m e t 之间的通信搭建了平台，并广泛应用于各种领域。 在网络优化方面有：清华大学的任丰原教授、林闯教授、山秀明教授等提 出p i d 控制器和基于内模补偿原理的延时补偿d c a q m ( d e l a yc o m p e n s a t i o n a q m ) 以及构造一个新的分析框架，结合现有结果和非线性控制理论中的一些描 述函数方法提出判断t c p r e d 系统是否稳定的标准1 1 6 】；吴建平教授结合p 控制 器和p i 控制器的优点提出一种p 2 i 算法；东南大学杨洪勇教授利用广义n y q u i s t 判据研究了具有通信时延的a q m 策略的稳定性；上海交通大学的蒋凯和汪小帆 教授基于非线性动态比较分析r e d 和a d a p t i v er e d 性能1 1 7 j 。其它类别算法还 有：清华大学的任丰原教授利用f i s h e 线性判别方法设计了一个a q m 分类器【博1 9 l 和基于s m v s ( s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e ) 控制的鲁棒a q m 控制器1 2 0 j ；吴建 平教授采用模糊逻辑控制提高p l 控制器性能提出f p l ( f u z z y p i ) 控制器【2 1 j 等。 1 3 本文的主要研究工作 本文围绕嵌入式t c p i p 协议栈网络通信的课题，在n a n o 公司所提供的 $ 3 c 2 4 1 0 a 开发板硬件基础上，建立了交叉编译环境，成功移植了l i n u x 内核和 根文件系统；对嵌入式t c p i p 协议进行分析与精简，在l i n u x 操作系统上实现 服务器和客户端的网络通信功能；为了解决网络上因为大量小数据包而产生的 网络拥塞问题，在t c p 协议中采用了n a g l e 算法，并进行了网络仿真；在研究 r e d 算法的基础上得出了改进的e e r e d 算法，运用n s 2 网络模拟仿真工具进 行仿真与验证，研究表明此算法可以有效地减轻网络通信带宽上的资源浪费。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 阐述了嵌入式系统的概念、分类以及应用，讨论了典型的嵌入式操作系 统和嵌入式网络化的概念，并详细分析了嵌入式i n t e r n e t 的实现方法。 ( 2 ) 基于$ 3 c 2 4 1 0 a 开发板的硬件基础上，成功建立了交叉编译环境、移植 了l i n u x 内核和根文件系统，并给出了实现结果图，证明l i n u x 操作系统已成功 移植到实验开发板上。 ( 3 ) 研究分析了t c p i p 协议栈工作原理，在分析了应用层、传输层、网络 4 武汉理l ：人学硕十学位论文 层以及数据链路层协议的基础上对t c p 协议进行分析与精简，并运用s o c k e t 编 程实现服务器和客户端之间的网络通信。 ( 4 ) 在研究分析了网络拥塞问题的基础上，对嵌入式t c p 协议采用了n a g l e 算法，以此来有效回避网络拥塞问题；并对基于n a g l e 算法的嵌入式t c p 协议 进行网络仿真，通过实验验证基于n a g l e 算法的嵌入式t c p 协议性能要好于标 准的嵌入式t c p 协议。 ( 5 ) 在研究分析了r e d 算法的基础上研究设计了一种改进的e e r e d 算法， 并运用网络模拟仿真软件n s 2 进行模拟仿真。通过实验表明研究设计的e e r e d 算法在分组丢弃和稳定性上要优于r e d 算法，同时增强了r e d 算法的自适应 能力，从而有效地减少了嵌入式网络通信带宽上的资源浪费。 武汉理r 大学硕十学位论文 第2 章嵌入式系统概述 嵌入式系统是基于以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁， 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。本章主要讨 论嵌入式系统的分类和应用，以及嵌入式操作系统和嵌入式网络化等概念，为 以后操作系统的移植，嵌入式网络通信研究奠定基础。 2 1 嵌入式处理器分类 嵌入式系纠2 2 仍l 从广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称 为嵌入式系统；从狭义上讲，嵌入式系统是使用嵌入式微处理器独立构成的系 统，具有自己的操作系统和特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式微处理器，全世界嵌入式处理 器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多种系列。根据其现 状，嵌入式计算机可分为以下4 类【2 4 j ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。它具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点。但是在电路板上必须包括存储器、总线接口、各种 外设等器件。嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e rp c 、m i p s 、 a r m 等系列。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器以某一种微处理器内核为核心，将整个计算机系统集成到一 块芯片中。它的主要特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下降，可靠性 提高。嵌入式微控制器主要是5 1 系列的产品。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度较快。嵌入式d s p 处理器在数字滤波、f f r 、谱 分析等方面获得了广泛的应用。比较具有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的 t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 6 武汉理j t ：人学硕十学位论文 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广、v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在硅 片上实现一个较为复杂的系统，即嵌入式片上系统。s o c 可分为通用和专用两 类，通用s o c 如l n f m e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 、e c h e l o n 和 m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等；专用s o c 一般专用于某个或某类系统中， 如p h i l i p s 的s m a r tx a o 。由于整个嵌入式系统的大部分功能都集中在一块或几块 芯片上，所以应用电路非常简洁，以及对于减小体积和功耗，提高可靠性和保 密性都非常有利。 2 2 嵌入式产品应用 目前最值得关注的嵌入式产品市场主要有如下几类： ( 1 ) 家庭信息网络 后p c 时代，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、数字电 话等都将嵌入式微处理器通过家庭网关与i n t e r n e t 连接，构成家庭信息网络。人 们可以远程控制家里的电器设备；可以实现远程医疗、远程教育；可以视频点 播，实现交互式电视，以及可以提供网上服务等功能。 不论是高度集成的智能数字终端，还是各类数字融合产品，都离不开嵌入 式系统的支持，可以说嵌入式系统是家庭信息网络、i t 融合的重要技术基础。 具有丰富功能，高度集成的智能数字终端将是未来的发展方向。 ( 2 ) 移动计算设备 移动计算设备包括手机、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的手机 用户，而掌上电脑由于易于使用、携带方便，未来几年将在我国得到快速发展。 p d a 与手机也已呈现融合趋势。使用掌上电脑上网，可以随时获取各类信息。 智能手机就是一台嵌入式系统，智能手机要存放更多的软件和各种大容量 的多媒体文件，必定要有操作系统，目前智能手机操作系统主要有微软公司的 s m a r t p h o n e 系统和s y m b a i n 公司的s y m b a i no s 系统。采用s y m b a i no s 系统的 智能手机功能异常强大，为这个平台开发的j a v a 程序已经在互联网上盛行。通 过安装这些软件，可大大扩展手机的功能。 ( 3 ) 网络设备 各种网络设备包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入网关等，都是嵌 7 武汉理r 大学硕士学位论文 入式系统。将i p 嵌入到芯片之中的关键技术，既包括设备终端技术，也包括设 备网关技术。嵌入式i p 技术是嵌入式i n t e m e t 中的一个基本问题，设备的功能 性和可靠性紧密依赖于嵌入m 的芯片和基于t c p i p 的协议栈软件。t c p i p 的 协议栈软件在设备级是一个非常重要的问题，它完成了现场级设备、网关和骨 干网络之间所有信号协议的处理。 大多数嵌入式i p 制造商没有能力在独立系统环境内开发嵌入式协议软件， 需要为这些嵌入式i p 制造商提供一些简单的工具乃至现成产品，w e b i t 系列产 品较好地解决了嵌入式i n t e m e t 设备的接入和控制问题。w e b i t 被称为“世界上 最小的w w w 服务器”。 随着下一代i n t e m e t 的研发成功和投入使用，必然要有更多更强的嵌入式网 络设备和产品面世，意味着存在巨大嵌入式网络设备和产品的市场需求。 嵌入式系统也在向无线网络w l a n 发展，无线网络w l a n 已开发集成式 8 0 2 1 1 芯片组。无线嵌入式网络有望部署到住宅及商用建筑自动化、工业设备监 测以及其它无线传感和控制应用中。 “) 自动化与测控仪器仪表 测控仪器仪表种类繁多，每年进口的医疗设备就上亿，每个医疗设备就是 一套嵌入式系统。测控仪器仪表更是遍及大中小企业，新型的测控仪器仪表都 是嵌入式系统。在工控和仿真领域，嵌入式设备也早已得到广泛应用。嵌入式 系统在自动化行业已有许多成功应用案例，如数控机床控制系统、面向啤酒行 业控制系统、水厂控制系统、缝纫机控制系统、可燃性气体报警系统、智能建 筑安防系统、自动生产线分部式控制系统、变电站自动化系统、自动生产线检 测系统等。我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，智能控制设备、智 能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了巨大的市场。工控、仿真、数据采集、 军用等领域一般都要求实时操作系统的支持。在金融业、电力系统和服务业， 嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。 ( 5 ) 交通电子 在交通系统中，嵌入式的作用也日益重要。汽车智能驾驶设备、汽车模拟 驾驶器、汽车喷油泵调试台、轮船智能驾驶设备等都面临更新换代。这类新型 设备都离不开嵌入式系统。我国汽车业的发展必然为汽车电子的嵌入式系统应 用提供良好的发展平台。 嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收费监控、汽车自导航、g p s 车载 武汉理一r 大学硕+ 学位论文 终端、电子警察和汽车检测中的应用都是非常广泛的，有良好的市场前景。 2 3 典型嵌入式操作系统分类 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现各种各样的商用嵌入式操作系统阁， 这些操作系统大部分都是为专有系统开发的，从而逐步演化成了现有多种形式 的商用嵌入式操作系统，其中典型的操作系统有l i n u x 、w i n c e 和v x w o r k s 等。 2 3 1l i n u x 在所有的操作系统中，嵌入式l i n u x 的发展最快，应用也较为广泛。嵌入式 l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。在进入市场的前期，嵌入式 l i n u x 的设计通过广泛应用而获得巨大成功。随着嵌入式l i n u x 技术的成熟，定 制需要的尺寸尤为方便，同时支持更多平台，并从早期的试用阶段迈进到成为 嵌入式操作系统市场的主流之一。 嵌入式l i n u x 的最大特点是源代码的开放。代码的开放性是与后p c 时代的 智能设备的多样性相适应的。代码的开放性主要体现在源代码可获得上。l i n u x 代码开发就像是“集市式”开发，任意选择并按自己的意愿整合出新的产品。 嵌入式l i n u x 技术的普及发展，为国内单片机工程师在软件功能方面提供了极大 的支持，为软件引入了t c p i p 网络特性，引入了软件操作系统的健壮性，这都 极大地增加了系统的功能和提高了系统的性能。 2 3 2 、聃n c e w i n d o w sc e l 2 6 1 是微软公司的产品，w i n d o w sc e 采用模块化设计，并允许 它从掌上电脑到专用的工控电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少 2 0 0 k 的r o m 。现在的大部分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。 w i n d o w sc e 作业系统是w i n d o w s 家族中的成员，是专门设计给掌上型电脑 所使用的嵌入式系统环境。作业系统可使完整的可携式技术与现有的w i n d o w s 桌面技术实现整合的工作。 9 武汉理1 ：大学硕七学位论文 2 3 3v x w b r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操 作系统。它是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，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问通信。 应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资 源的管理。 v x w o r k s 拥有良好的持续发展能力，高性能的内核以及良好的用户开发环 境。它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用于通信、军事、航空、航 天等高精尖技术以及实时性要求较高的领域中。它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。v x w o r k s 是一个非常优秀的实时系统，但 其昂贵的价格使不少用户望而却步。 2 4 嵌入式操作系统技术特点和应用前景 嵌入式操作系统具有区别于通用操作系统的一些重要特征，这些特征主要 有以下几点： ( 1 ) 体积小 设计者不断地在更小空间、更便宜的c p u 中注入更强的计算能力，并希望 将这些c p u 集成到各种各样的项目中。一个小的嵌入式操作系统经常只使用几 千字节的r a m 和r o m 内存。通用计算机系统一般要求功能的强大，而在嵌入 式系统中，在满足相应需求的情况下，要求操作系统占用资源尽可能地少。 ( 2 ) 运行时间长 嵌入式操作系统在没有人工干预下应该能运行几年，这意味着硬件和软件 出错的几率相当小。 ( 3 ) 故障重启 尽管已经将嵌入式系统设计得非常坚固可靠，但仍然需要预防系统出现故 障的可能例如内存保护错误。因为此系统可能运行在一个无人的环境，无法手 工进行复位操作。因此，嵌入式系统通常应具有在出现故障时立即启动到一个 安全状态的功能，特别是系统控制着一些关键的设备时。 ( 4 ) 低功耗 1 0 武汉理j 1 ：大学硕士学位论文 嵌入式系统一般需要长时间工作， 就要求系统的能量消耗要尽可能的小。 要更大功率的电源。 ( 5 ) 价格便宜 比如手机，在电池功率定的情况下， 大耗电量还直接影响到硬件的费用，需 嵌入式系统应该尽可能的便宜。嵌入式系统通常是成千上万的大批量生产， 价格降低，会使产品销量提高。 ( 6 ) 动态加载 嵌入式系统被启动以后，在物理上是没法接触到它的比如发射的卫星，因 此许多嵌入式系统能支持远程访问。为了软件的升级，这些嵌入式系统应该可 以支持动态链接。在开始启动时，目标代码要能被上传到系统，在不需要停止 系统运行的情况下，使得目标码链接到运行的操作系统上并可以运行。 嵌入式系统具有便利灵活、性价比高、嵌入性强等特点，可以嵌入到现有 任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有不可修改 性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。 2 5 嵌入式网络概述 嵌入式系统是基于以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁， 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统 与i n t e r n e t 相结合已经成为研究热点之一，该项技术称为嵌入式网络( e m b e d d e d n e t w o r k ) 。嵌入式网络将使人