（机械电子工程专业论文）光纤自动切换保护系统的控制系统实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 吣y 1 7 眦5 黼吣7 黼9 黼0 l 2 骶 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的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 2 j d | ( 1 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 适用本授权书。 日期： 日期： 光纤自动切换保护系统的控制系统实现 摘要 随着网络技术的进步和业务需求的飞速发展，通信流量呈现阶跃 式提升的态势。波分复用技术以其超大容量、扩容平滑等特点得到了 快速的发展和广泛的应用。与此同时，由于单一光纤容量的激增，网 络故障的影响巨大，网络生存性问题也显得更加紧迫。 传统的光纤保护技术，根据保护技术在光网络中的体系位置，可 以分为i p 层保护技术、s d h 层保护技术和光层保护技术。由于在效 率、成本、t 速度等方面存在这样或那样的问题，传统的保护技术无法 适应当前的网络发现现状。本文在分析了其他保护技术的优缺点及当 前网络安全性方面的主要问题的基础上，提出了基于光层的光纤自动 切换保护方案。该保护方案的主要机制是通过检测光路的光功率，在 光层上进行自动切换保护。相对于其他保护技术，具有可靠性高、切 换速度快、保护成本低等优点。 本论文重点介绍了该保护系统的控制系统部分，详细分析了控制 系统的组成及各组成模块的设计实现。在本设计中，控制系统基于 a r m $ 3 c 2 4 1 0 处理器设计实现。控制系统主要由串行通信模块、网 络通信模块和数据处理模块组成，通过合理设计通信数据的帧格式， 划分各模块的功能及多线程编程技术，控制系统完成单元盘的工作状 态信息、网络监控系统的指令信息等数据的接收和处理转发功能。同 时，本论文还对该控制系统进行了展望，提出了改进的方向。 关键字：光层，a r m ，嵌入式，多线程 一 、0 0 h t h ei m p l e m e n t a t i o no f c o n t r o ls y s t e m f o ro p t i c a lp r o t e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n db u s i n e s s s e r v i c e , t h en e t w o r kt r a f f i cp r e s e n t sas t e p - t y p e - i n c r e a s et r e n d w d m t e c h n o l o g y ，f o ri t sl a r g ec a p a c i t y , s m o o t he x p a n s i o n , i sq u i c k l yd e v e l o p e d a n dw i d e l ya p p l i e d a tt h es a m et i m e w i t ht h eb e n e f i to fw d m t e c h n o l o g y ，w h i c hc r e a t e ss u c hh u g ec a p a c i t yo ff i b e r , t h ei m p a c to f n e t w o r kf a i l u r em a k e st h en e t w o r k s u r v i v a b i l i t ym o r ei m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo ff i b e r - o p t i c ，u n d e rt h e p r o t e c t i o no ft e c h n o l o g yi no p t i c a ln e t w o r ks y s t e m ，c a l lb ed i v i d e di n t o i p - l a y e rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , s d h l a y e rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d o p t i c a l l a y e rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y a st h es h o r t a g eo fe f f i c i e n c y , c o s to r s p e e d ，t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nt e c h n i q u e sc a l l ta d a p tt ot h ec u r r e n ts t a t u s o ft h en e t w o r k b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fo t h e rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h ec u r r e n tm a i ni s s u e so fn e t w o r k s e c u r i t y , a l la u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ll a y e rp r o t e c t i o nb a s e do n f i b e r - o p t i c b a s e d w a s p r o p o s e d c o m p a r e d t o o t h e r p r o t e c t i o n t e c h n o l o g i e s ，t h i sp r o t e c t i o nm e t h o di sg o o da th i g hr e l i a b i l i t y , s w i t c h i n g s p e e da n dl o wc o s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o ls y s t e mp a r to ft h ep r o t e c t i o ns y s t e m a n dp r e s e n t sd e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma s w e l la st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m p o n e n tm o d u l e s i nt h i s p a p e r ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e do na r m $ 3 c 2 4 10p r o c e s s o r t h e m i g r a t i o no fl i n u xt oa r ma n de m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n tp r o c e s si s a l s o p r e s e n t e d t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l ym a d eu pb yt h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e s w i t ht h er a t i o n a ld e s i g no fc o m m u n i c a t i o nd a t a f r a m ef o r m a t ，a n dd i v i d i n gf u n c t i o n so fe a c hm o d u l ea n dm u l t i t h r e a d e d p r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s ，t h ec o n t r o ls y s t e mc a nf i n i s ht h et r a n s p o r to f t h e i n f o r m a t i o no ft h eb a s e b o a r ds t a t u sa n d 也es e r v e rm o n i t o r i n gc o m m a n d v e r yw e l l a tt h el a s t t h ep r o s p e c to ft h ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：o p t i c a ll a y e r , a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，t h r e a d i l i 0 j 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1m 层保护技术。3 1 2 2s d h 层保护技术4 1 2 3 光层保护技术。4 1 3 本文的主要研究内容5 第二章控制系统的软硬件平台。7 2 1 嵌入式系统概述7 2 1 1 嵌入式系统的结构。7 2 1 2 嵌入式操作系统的特点：8 2 1 3 典型嵌入式操作系统介绍9 2 2 硬件平台1 1 2 2 1 硬件系统介绍1 l 2 2 2 主控芯片介绍1 1 2 3 软件平台13 2 3 1 嵌入式l i n u x 结构1 3 2 3 2 嵌入式l i n u x 特点l5 第三章控制系统的整体设计1 7 3 1 光纤自动切换保护系统概述1 7 3 1 1 自动切换保护的保护方式1 8 3 1 1 11 + 1 保护方式1 8 3 1 1 21 ：1 保护方式1 9 3 1 2 自动切换保护系统框架2 0 3 1 2 1 单元盘模块2 0 3 1 2 2 控制系统模块2 2 3 1 2 3 网络监控系统模块2 2 3 1 3 该保护系统的优势2 4 3 2 控制部分框架2 5 3 3 串口通信模块2 6 3 3 1 串口通信基础2 6 3 3 1 1 同步通信与异步通信2 6 3 3 1 2r s 2 3 2 串行口2 7 3 3 2l i n u x 下的串口编程2 8 3 3 2 1 串口设置。2 8 3 3 2 2 串行通信信号帧设计2 9 3 4 网络通信模块3 2 3 4 1t c p 口协议及s o c k e t 介绍3 2 3 4 2 基本通信模型3 3 3 4 3 网络通信的消息类型3 3 3 5 数据处理模块3 6 3 5 1 数据类型定义3 6 3 5 2 光功率值的计算3 7 第四章系统实验测试。3 9 4 1 概述3 9 4 2 建立交叉编译环境3 9 4 3 移植u b o o t 一4 0 4 3 1u b o o t 介绍4 0 4 3 2u b o o t 结构4 1 4 3 3u b o o t 启动过程分析4 2 4 3 4u b o o t 移植4 4 4 4 移植l i n u x 内核4 5 第五章总结及展望4 7 5 1 总结4 7 5 2 展望4 7 参考文献4 9 致谢5l 攻读学位期间发表的学术论文目录5 2 i i 1 1 研究背景 第一章绪论 随着时代的发展进步，人们对通信和网络的需求越来越大。经济的高速发展 使各类通信业务飞速发展，通信流量得到了阶跃式的提升。【l 】波分复用技术 ( w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 以其超大容量传输、扩容平滑等特点得 到了快速的发展，成为通信网络扩容的主流技术。 现今的光传输技术发展主要分为两个方向：一是不断提高每信道传输速率， 二是不断提高每根光纤中所复用的波长数。1 2 w d m 是在单一光纤内同步传输多 个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增。其基本原理是利用单模光 纤的低损耗区的巨大带宽资源，在发送端利用复用器将不同波长的光载波进行复 用，然后传入单模光纤，最后在接收部分利用分波器将不同波长的光载波解复用。 由于w d m 技术能用相对简单的技术和较低廉的成本充分挖掘光纤的可用带宽， 因此得到了迅猛的发展。目前已经实现了在单纤中同时传输上百个信道，单信道 的传输速率达4 0 g b i t s 的系统，使系统可获得tb i t s 量级的总传输容量。同时， 总传输容量达数百g b i t s 的商用系统也已开通运行。w d m 技术的发展大大提高 了通信线路的传输容量，同时也使网络的生存性问题显得更加紧迫和突出。 光网络故障按照故障的表现方式可分为软故障和硬故障。按照故障的位置可 分为节点故障和链路故障【3 l 。硬故障是指中断传输信道的突发事件，如光纤断裂、 收发单元失效事件等。软故障是指逐步降低传输质量的事件，如光纤损耗增大等。 硬故障对网络业务影响巨大，但处理方便。软故障对网络业务的影响比较小，但 出现几率高，且不容易发现，故障定位也比硬故障难。节点故障是由于节点中器 件的故障以及人为因素的影响导致光网络中的节点的发射机、接收机或相关设备 产生的故障。链路故障是由于自然因素和人为因素的影响，导致光纤链路切断或 性能劣化，使得光网络的链路产生故障，影响业务的正常传输。敷设在室外的光 纤链路，由于受外界环境影啊大、距离长、分布广、维护人员相对较少等原因， 是通信网中最容易出现故障的地方。 在传统的光网络中，网络生存性通常采用数字同步体系( s d h ) 自愈环的方 案来实现，每个环网只负责处理其各自内部的网络故障。s d h 自愈环操作简单， 技术成熟，恢复迅速，但它有以下几个主要缺点： 1 资源利用率低 在应用中，每个环需要配置的冗余备份资源通常都大于1 0 0 ，造成了资源 的巨大浪费。 2 网络可扩展性差 在环网相交的结构中，保护方案的复杂度随着环数目增加大幅增大，限制了 网络的可扩展性。 3 节点故障恢复困难 其中，资源利用率和网络扩展性，正是当前人们最为关心的问题。随着网络 拓扑规模进一步扩大，以及市场竞争的日益激烈，s d h 自愈环的方案将很难适 应当前网络发展的要求。当前运营商面对w d m 网络发生光纤断裂这样的故障， 一般的处理办法是由运维人员进行人工纤芯调度，将光路从故障纤芯调度到应急 调度纤芯内。处理线路故障所需时间，从故障发生到通信恢复大概需要历时十多 分钟。同时，由于运维人员的维护水平或者故障两端站运维人员沟通问题的影响， 都可能引起光纤调度失误，加长故障历时，中国电信公司对此类故障的要求是故 障历时不得超过3 0 分钟。然而，在大量大容量业务日益集中到w d m 系统的情况 下，即使只是数分钟的中断，都会对运营商的网络带来巨大的损失，也会影响客 户对运营商网络质量的评价。然而，即使是w d m 有这样那样的网络安全缺陷，在 w d m 应用的初期，各个运营商就遇到了巨大的网络扩容压力，他们不得不大量部 署这样的没有自愈能力的嗍网络，并将大量的业务承载在上面。 1 2 国内外发展现状 刁o 在i t u t 的g 8 7 2 建议中嗍，当前光传送网可以分为三层，分层模型如图所 2 电路层电路层电路层 t m 传送层a t m 层 通道层s d h 传送层s d h 层 光通路层 光复用段层光层 传输媒质层光传输段层 物理层物理层 图卜l 光传送网的分层模型 从图中可以看到，整个传送网分为三层，从上到下依次为电路层、通道层和 传输媒质层，每一层网络又可以分为多个子层网络。 1 2 1i p 层保护技术 在m 层中，i p m p l s 能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度也很小， 但口层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在i p m p l s 网络 层中用于提高生存性采用的主要的策略是p 动态路由( 口d y n a m i cr o u t i n g ) 和多 协议标记交换( m p l s ) 的自愈方案【5 】，此外还有弹性分组环( r p r ) 和动态分组传送 ( d p t ) 技术。 口动态路由技术是当主通路中的两个节点( 路由器) 间的链路发生故障时， 内部网管协议可以动态的计算和寻找到一条两个节点间的有效备用路由，以替代 网络的故障路由，恢复故障业务。这使得p 包能使用备用动态路由绕过故障链 路或故障节点，恢复业务的传送。m 动态路由虽然有较高的智能，但恢复时间 比较长从几十秒到几分种，而且具有一定的不可预知性。 m p l s 属于第三层交换技术，它通过预置一系列不同等级的通路，即标记交 换通路( l s p ) ，来完成自愈。一旦出现路径故障，可以根据存储的标记快速提供 另一条路径。在i p 层引入m p l s ，利用固定长度的标签交换技术减少了路由器 解析i p 包头的延时，所以在一定程度上可以实现i p 层的快速恢复。 r p r 的核心基础是以太网技术，其处理的基本数据单元是分组数据包。与 其他技术相比，r p r 的最大特点是在充分保持以太网技术组网资源利用率高和 灵活等优点的前提下，加入了s d h 系统的自愈技术，提高了原有以太网系统的可 靠性。 d p t 是一种对数据包进行优化的基于光纤传输的解决方案，事实上是最先 得到广泛应用的p r p 预标准。d p t 技术将m 路由技术对带宽的高效利用及丰富 的业务融合能力和光纤环路的高带宽及可靠的自愈功能紧密结合，为现存的网络 提供一个保护投资的功能丰富的解决方案。 1 2 2s d h 层保护技术 在s d h 网中最常见的自愈技术【6 】包括自动保护切换( a p s ) 、自愈环( s h r ) 、 网状自愈网。a p s 技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包括1 + 1 1 ：1 和 m n 三种方式。这3 种保护方式的不同在于分配不同的保护资源。基于a d m ( 分 插复用器) 的s d h 自愈环是从自动保护倒换技术演变而来的，网络结构为由a d m 构成的环状拓扑结构，是一种非常成功的网络生存技术，它比a p s 具有更灵活 的特点，可以处理节点故障和链路故障。网状自愈网自愈技术最大的好处是可以 利用网络物理设备布局的分散性来达到经济有效的生存性，在网状自愈网中每条 线路上的空闲容量都可以为其他线路的生存性作贡献，网络的空闲资源并不为指 定的线路或环恢复专用，而是全网共享。 s d h 保护是标准化的并且能跨域操作，可提供可保护交换通路粒度的更多 控制。对点对点系统，a p s 是最好的解决方案；在环形网络中，s h r 是最好的 解决力案目前通信网络中大多使用保护方案，而在大规模的网状网中，a p s 和 s h r 可能会消耗掉更多的网络资源。因此s d h 保护在环拓扑中限制很大，存在 着备用容量使用效率不高，拓扑范围有限等缺点。 1 2 3 光层保护技术 光层保护技术包括o x c 的保护与恢复、光复用段保护( o m s p ) 、光通道保 护( o c p ) 和光线路保护( o l p ) 等手段。由于现阶段o x c o a d m 技术仍不成 熟，成本较大，光层保护技术仍以光通道保护( o c p ) 、光线路保护( o l p ) 为 主。所谓光线路保护( o l p ) 技术，是指当光传输线路上工作线路发生中断或者 性能下降时，能够自动地将光传输线路由主用线路倒换到备用线路。保证传输系 统得到恢复，从而使传输系统的故障历时降至最少。而光通道保护( o c p ) 技术， 类似干光线路保护( o l p ) 技术，只是保护对象变成了具体的波分通道( 即某个 g e ，2 5 g b i t s 和1 0 g b i t s 带宽的波道) 。其概念指当光传输设备上工作通道( 波 4 道) 发生中断或者性能下降时，能够自动地将光传输通道( 波道) 由主用通道倒 换到备用通道，保证传输系统得到恢复，从而使传输系统或业务电路的故障历时 降至最少。 目前给w d m 网络提供的自愈能力的技术还不是很成熟，而且并没有得到广 泛推广应用，特别是在给较早时期组网的w d m 提供自愈能力等方面。如何使用 较廉价的成本给w d m 网络提供额外的生存能力等问题，还需要进一步解决。 1 3 本文的主要研究内容 虽然在w d m 网络的自愈方面取得了不少成果，但是仍然存在着不少问题， 尤其是在其自愈成本、自愈网络复杂度等等多方面还是不够完善，同时在针对较 早时期组网的w d m 网络是自愈能力升级上面，所做的工作仍彰显不足。2 0 1 0 年国内预计铺设光纤光缆6 5 0 0 - 7 0 0 0 万芯千米【刀，3 g 牌照发放也使运营商之间 竞争进一步加剧。自愈成本的问题更加重要。 本文的介绍了一种低成本的光层的光纤自动切换保护方案，重点研究了基于 a r m 的光纤自动切换保护系统的控制部分的实现，本论文的主要内容和结构安 排如下： 第一章阐述了本论文的选题背景和主要意义，综述了当前通信网络的发展特 点及网络保护与恢复方面的挑战，提出了本文的研究方向。 第二章概述性的介绍了嵌入式系统，并详细介绍了本设计中的软硬件平台。 第三章提出了一种低成本的光层的光纤自动切换保护系统，并详细介绍了光 线自动切换保护系统的控制部分的实现，主要包括总体框架设计、串行通信模块 的实现和网络通信模块的实现。 第四章对设计的控制部分进行了实验测试工作，测试控制部分对外部信息响 应的准确性。 最后为总结及展望，总结了本论文的主要研究成果，并对有待研究的问题进 行了分析展望。 5 6 一 第二章控制系统的软硬件平台 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的，适合 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系 统。它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成 系统。今天的嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车 电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着 嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。如基于 嵌入式i n t e r n e t 网络的地球电子皮肤，可以嵌入到牙齿上的手机都在研发之 中。著名嵌入式系统专家沈绪榜院士认为计算机是认识世界的工具，而嵌入式系 统则是改造世界的产物。 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。根据i e e e ( 国际电气 和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和 设备的装置。国内一般定义为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、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 可以说嵌入式系统是软件与硬件的综合体。 2 1 1 嵌入式系统的结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有三个部分【8 】，如图 2 1 所示。 硬件坏境：整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通 常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统一个主要特点和发展模式 嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核 精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式应用程序：运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 7 嵌入式应用程序 嵌入式操作系统 硬件环境 图2 - 1 嵌入式系统分层模型 2 1 2 嵌入式操作系统的特点 与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点【9 1 。 1 体积小 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存 储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要求嵌入式操作 系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因 此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。 2 实时性 大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，要求相应的 嵌入式操作系统也必须是实时操作系统。实时操作系统作为操作系统的一个重要 分支已成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解 除等问题。 3 特殊的开发调试环境 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整 的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译连接器、内核调试跟 踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试 器、软件仿真器和监视器等。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系 统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统的3 层结构 逐步演化成为一种4 层结构。这个新增加的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板 级支持包，是一个介于硬件与软件之间的中间层次，硬件抽象层通过特定的上层 接口与操作系统进行交互，向操作系统硬件的直接操作，硬件抽象层的引入大大 推动了嵌入式操作系统的通用化。 2 1 3 典型嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上分为2 种商用型和免费型。目前 商用型的操作系统主要有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p s o s 、p a l mo s 、o s 9 、l y n x o s 、 q n x 、l y n x 等，它们的优点是功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务， 而且提供了如图形用户界面和网络支持等高端嵌入式系统需要的许多高级功能； 缺点是价格昂贵且源代码封闭，这就大大影响了开发者的积极性。目前免费型的 操作系统主要有l i n u x 和u c o s i i ，它们在价格方面具有很大的优势。下面介绍 几种常用的操作系统【1 0 1 。 1 u c o s 嵌入式操作系统 u c o s i i 是一个可裁减、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核， 主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时 性优良和可扩展性强等特点。u c o s i i 中最多可支持6 4 个任务，分别对应优先 级0 - 6 3 ，其中0 为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优 先级的任务，是真正的实时操作系统。u c o s i i 最大程度地使用a n s ic 语言开 发，现已成功移植到近4 0 多种处理器体系上。u c o s i i 小巧，最小内核可编译 至2 k ，即使包含全部功能如信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数等，编译 后的u c o s i i 内核也仅有6 - - 一1 0 k b ，所以它比较适用于小型控制系统。u c o s i i 具有良好的扩展性能，比如系统本身不支持文件系统，但是如果需要，也可以自 行加入文件系统的内存。 2 v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 是w i n d r i v e rs y s t e m s 公司推出的一个实时操作系统，是目前嵌入 式操作系统中使用较广泛、市场占有率较高的系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、 i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w c r p c 等。v x w o r k s 实 时操作系统基于微内核结构，由4 0 0 多个相对独立、短小精悍的目标模块组成， 用户可根据需要增加或删减适当模块裁减和配置系统。v x w o r k s 的链路器可按应 用的需要来动态链接目标模块。v x w o r k s 因其良好的可靠性和卓越的实时性，已 广泛应用在通信、军事、航天、航空等高端技术及实时要求极高的领域中。 3 w i n c e 操作系统 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、 多任务的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。高度模块化是w i n c e 的一 个重要的特性，这一特性有利于它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子 9 设备进行定制。w i n c e 操作系统的基本内核至少需要2 0 0 k 的r o m 。它支持 w i n 3 2a p i 子集、多种用户界面硬件、多种串行和网络通信技术、c o m o l e 和 其他进程通信的先进方法。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统最大的特点是能提供与 p c 机类似的图形界面和主要的应用程序。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的界面显 示大多是w i n d o w s 里出现的标准部件，包括桌面、任务栏、窗口、图标和控件 等。这样，只要是对p c 机上的w i n d o w s 比较熟悉的用户，就可很快地使用基于 w i n d o w sc e 嵌入式操作系统地嵌入式设备。 4 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 是由l i n u st o r v a l d s 于1 9 9 1 年开发的u n i x 1 i k e 操作系统。l i n u x 内核 遵循g p l 协议，源代码完全开放。经过开源社区爱好者的共同不懈努力，l i n u x 已经成为功能强大且设计完善的操作系统。目前l i n u x 已经可以与各种传统的商 业操作系统分庭抗礼，占据了大部分市场。据1 9 9 9 年i o s 统计，l i n u x 占有全 球w e b 服务器总数的2 8 ，名列第一。1 d c 统计2 0 0 0 年l i n u x 在服务器操作系 统市场中站的份额达到2 5 ，w i n d o w sn t 占3 8 ，n o v d l 市场份额为1 9 ，而 各种版本的u n i x 的市场份额为1 5 。l i n u x 不仅在服务器领域取得了成功，在 嵌入式领域也获得飞速发展。目前，正在开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择 l i n u x 作为嵌入式操作系统。当前主要的嵌入式l i n u x 产品有以下几种： 1 ) r t l i n u x 由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的硬实时嵌入式操作系统 4 r t l i n u x ，是r e a l t i m el i n u x 的鼻祖。r t l i n u x 已成功应用于从航天飞机的空间 数据采集、科学仪器测控到电影特技图像处理等广泛的应用领域。r t l i n u x 提供 了一个精巧的实时内核，并把标准的l i n u x 核心作为实时核心的一个进程同用户 的实时进程一起调度，这样做的好处是对l i n u x 的改动量最小，充分利用了l i n u x 平台下现有的丰富的软件资源。 2 ) r t a i r t a i 是r e a l - t i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e 的缩写【】。顾名思义知道它是一套可 以用来写实时应用程序的界面。大致而言，r t a i 非常小心的在l i n u x 上定义了 一组r t h a l ( r e a l t i m eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 。r t h a l 将r t a i 需要在 l i n u x 中修改的部份定义成一组程序界面，r t a l 只使用这组界面和l i n u x 沟通。 这样做的好处在于我们可以将直接修改l i n u x 核心的程序代码减至最小。这使得 将r t a i 移植到新版l i n u x 的工作量减至最低。 3 ) m o n t a v i s t al i n u x 由全球三大嵌入式l i n u x 操作系统及解决方案供应商之一的m o n t a v i s t a 软件 公司开发。m o n t a v i s t al i n u x 支持6 种体系结构的2 0 款处理器，x 8 6 i a 3 2 、 l o p o w e r p c 、s t r o n g a r m 、x s c a l e 、a r m 、m i p s 以及s h 。包括k d e v d o pi d e 、目 标配置工具、库优化工具。另外，它还提供超过2 1 5 个应用软件包。h a r d h a tl i n u x 是由m o n t a v i s t a 公司开发产品，是目前最具影响力嵌入式l i n u x 。m o n t a v s t a 通 过直接修改内核来扩充l i n u x 内核的实时性。 4 ) u c l i n u x u c l i n u x 是针对无m m u 微控制领域而设计的l i n u x 系统。u c l i n u x 和标准 l i n u x 最大的区别是内存管理上，标准l i n u x 利用c p u 硬件的支持实现虚拟内存 机制，而u c l i n u x 采用实存储器管理策略。 2 2 硬件平台 2 2 1 硬件系统介绍 在本论文中，控制部分的主控芯片为三星的s 3 c 2 4 1 0 ，并在该开发板上移植 l i n u x2 6 内核操作系统。控制部分通过r s 2 3 2 与单元盘进行通信，通过e t h e r n e t 与同一内网内的网管部分进行通信，接收并转发单元盘反馈的光纤线路的工作状 态给网管部分，并响应和转发来自网管部分的控制和查询命令。 妒卞 瞄一园麟甜一刻 2 2 2 主控芯片介绍 图2 - 2 系统硬件框架 控制部分采用了2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 1 0 ，由核心板和 底板组成。核心板上集成s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器，6 4 ms d r a m 以及1 6 m 的 f l a s h 。底板则扩展了外设接口，在本系统中采用了个四线r s 2 3 2 串口和一 个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口。 图2 - 3 开发板硬件结构图。 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器具有以下特性：【1 2 】 1 a r m 9 2 0 t 嵌入式处理器内核，主频可达2 0 3 m h z 。 2 扩展总线最大频率1 0 0 m h z 。 3 3 2 位数据总线，2 7 位外部地址总线。 4 四个带有p w m 的1 6 位定时器。 5 多达5 5 个中断源的中断控制器。 6 1 疆c 。 7 三个u a r t ，支持i r d a l 0 。 8 四个d m a 通道，支持外设d m a 。 9 8 通道，1 0 - b i t 的数模转换单元。 1 0 两个u s b 口。 1 1 i i c 总线接口。 1 2 两个串行外围接口电路( s p i ) 。 f l a s h 采用i n t e l 的2 8 f 1 2 8 j 3 cn o rf l a s h ，8 m 1 6 位数据宽度，共1 6 m 字 节。f l a s h 连接n g c s 0 片选信号，安装在b a n k 0 ，起始地址为0 x 0 。其中，内 核z l m a g e 烧写在地址0 x 4 0 0 0 0 开始处，跟文件系统r a m d i s k 烧在0 x 1 4 0 0 0 0 地址处。 1 2 s d r a m 由两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t1 6 m x1 6 位数据带宽的s d r a m 拼成3 2 位模式，公用n g c s 6 ，共6 4 mr a m ，起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 t 1 3 1 。 。一一 o m l ：o li 们- 1 0o m i i 矩il 1 岍u s e dh 瞳u s e d 6 耵嘲_ 8 硪a r e a 掰= r 棚 o , 4 a o o _ c o o o _ 0 x 4 0 0 00 f f f b 缁删 n e t t e e d 瞰吣 白咖嗍 j捌暾m 斟8 1 月8 ，琵 懈。l 嗣弧舶氍习洲聂硇：船s i 】t n 删删1 2 8 掩1 黼 ( 蛹脚) i n g c s n 白鲫0 硼 3 r o m 玛d r a m3 甜田翻，t a n捌嗍删黼f t 抽卅 c n 汉渤i删渊 乃出最蜊饵m w 毛垡b 7 m 姗嘲 s r 0 啊翻硎 l ，f 镰鹕 l n 嘲 即日：s 习 蚴8 0 0 _ c 0 0 0 d g 捌s 删 l ( ；c s 4 岍0 c s _ 1 ) 1 2 b m b 1 g 8 自渊锄 r 轴o 礴拴o l jlcoes曲b g 硎s r 0 1 五孙彩r ，多 酝x 翳i 如c c s 3 i 叙l 0 嗍- - - i t j g 渊 s i 的柏 l 盈i 嘲 钾。( ：竭棚笼购 口一锄( ：0 0 0 s r 洲s r 0 糙 j n g c s l ) 岍g c s l l z 粕 南蝴咖_ j 8 硎 口四ti l l l ；n _ _l z 荆b f n g c 3 r a m 4 k 8 ) r 函岫_ 黼鼬“嘲嗍m 啪m 。h 岫嗍 图2 4 删存储地址 2 3 软件平台 2 3 1 嵌入式l i n u x 结构 厂 r 吩j 鬻篙荔7 溺 ) l 广鼬瞄r 匿= 纛三纛：翁 1 ) l - _ l g t a _ | l s y s t e mc a l li n t e r f a c e l 、 j n t t x k e r n e ll k e m e t 广s p a c e i 啊轴爵酾癌肭+ o _ 啦日n d 搠嗽k 摩m 耐c o d e h a r d