（物理电子学专业论文）数字程控交换机嵌入式网络接口系统的设计.pdf

声明 零人郑重声瞬： 1 、坚掩激“求实、锚新麓辩学精摊麸誊耩究工褥。 2 、本论文是找个人在导师指导下进行的研究工作蒴：i 取得豹研究威果。 3 、本论文孛除摹 文羚，搿有实验、数据翱有燕耪料 筠是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含熬他人 戏英京税褐b 羟发表或撰写过酌研究成果。 5 、共德阕恚蛙本研究掰饿势嚣熬鸳已在论文枣捧了 声明并表示了谢意。 作者签痿：垦壹塑 h期： 堡竺! 堡兰旦 数事罄控交挟橇鼹八式鼹臻接口系统静竣诗 _ “_ 一_ - _ m _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ ”_ _ _ _ _ m _ _ h _ 一 中文摘要 l 基于母魏菇速霹绔鼹逶售壤域最运一次革赣；妒鼹绥容器孩豫a 鳇速袭滋长，全球范 k 围的i p 数据流擞已经超过电话网络的流量，对于许多应用，i p 流量的赞用已经低予传统t d m 鼗务魏债捂了。疆诧，a 释j 越采越希望在谤丽络上僚输语音数据。予娥，在v o l p 技术上人 们进行了大量的工作。然丽，所键v o l p 技术，本质上都具嚣革命性鲍变化，由此诲多现存 的电话基础设施将被基予i p 的新机制取代。同时，今天的电话技术，不论是v o l p 准备取代 翦郝分，还是v o l p 必缨与之连接憋部分，帮十分笈杂。对其上吾秸璃篷、上千秣变讫，a 们不w 能在短肘间内完成这种革命性的工作。正是这样的背擞下，我们决定采用了另种思 路实现语音鼗搭赡p 嚣缀褥辏+ # 在疆翳络上透嚼遣莓鞭经耱数据瓣骣逮簧输t d m 疆鸯 1 + 。 帧a 矿 本文秀数字程控交抉橇研翻了一释瓣络接矗系统。该瘸缮接口系统端逶没p c m 罄群 串行总线连接数字程控燮抉机，男一端经r j 4 5 口与以太嘲襁逡。网络接日系统耀i p 报头瓣 装e i 语音数据演后，通道i p 弼络传送。潮予该两撂按口系统不做任何数据解释的透明的传 辕t d m 语音犊t 蚨两霹娃与原有翁程控交换槛实现凭缝接入。与v o l p 按寒程院，本文豁 实现思路是一种渐进的j # 革命性，可以最犬限度的保护在t d m 设备上的原有投捺，因此， 它是对v o t p 技术静一静誊盏斡蛰瓷。 关键调： 数字程控交换橇v o i p 技术蹲络搂爨倒- 3 数字粳控交换机嵌入式网络接口系统的设计 a b s t r a c t h i g h s p e e d i p b a s e dn e t w o r k s a r et h el a t e s ti n n o v a t i o ni nt h ew o r l do f c o m m u n i c a t i o n s t h ec a p a c i t yo ft h e s en e t w o r k si si n c r e a s i n ga tap r o d i g i o u sr a t e f o rm a n ya p p l i c a t i o n s ，t h ep r i c i n go fi pt r a f f i ch a sd r o p p e db e l o wt h et a r i f f s a s s o c i a t e dw i t ht r a d i t i o n a lt d ms e r v i c e f o rt h i sr e a s o n ，s i g n i f i c a n te f f o r ti sb e i n g e x p e n d e d o nv o i p t e c h n o l o g i e s h o w e v e r , i n h e r e n t i na l lf o r m so fv o i pi s r e v o l u t i o n a r yc h a n g e ，w h e r e b ym u c ho f t h ee x i s t i n gt e l e p h o n yi n f r a s t r u c t u r ew i l tb e r e p l a c e db yn o v e li p ”b a s e dm e c h a n i s m s t o d a y st e l e p h o n yt e c h n o l o g y , b o t ht h o s e p o r t i o n s t h a tv o l pa i m st o r e p l a c e a n dt h o s et ow h i c hv o l pm u s ti n t e r f a c e ，i s e x t r e m e l yc o m p l e x r e v o l u t i o n a r yi m p l e m e n t a t i o n so fi t sh u n d r e d so ff e a t u r e sa n d t h o u s a n d so fv a r i a t i o n sc a n n o tb ee x p e c t e dt ob ed e v e l o p e di nas h o r tt i m ef r a m e ，s o w ed e s i d et o a d o p ta na l t e r n a t i v em e t h o do fe x p l o i t i n gi pn e t w o r k sf o rt e t e p h o n y s e r v i c e ，i nu n f r a m e dm o d et r a n s p a r e n t l yt r a n s p o r t i n gt h et d mf r a m ew i t h o u ta n y a t t e m p t 贰i n t e r p r e t i n g t h ed a t a t h i s p a p e rd e s i g n s an e t w o r ki n t e r f a c ef o r d i g i t a ls t o r e d - - p r o g r a m - c o n t r o l e x c h a n g e 。t h i si n t e r f a c ec o n n e c t sd i g i t a ls t o r e d - p r o g r a m - c o n t r o le x c h a n g ef r o mp c m ， a n dc o n n e c t se t h e m e tf r o mr j 4 5 b yt a c k i n go nt h e a p p r o p r i a t e i ph e a d e ，t h i s i n t e r f a c ee n c a p s u l a t e se a c ht to re 1f r a m ei na ni p p a c k e t f o rt h i s i n t e r f a c e u n f r a m e dm o d et r a n s p a r e n t l yt r a n s p o r t st h et d mf r a m ew i t h o u ta n y a t t e m p t a t i n t e r p r e t i n gt h ed a t a ，i ts e a m l e s s l yi n t e r f a c e st oa l le x i s t i n gp b xe q u i p m e n t t h i s m e t h o di s e v o l u t i o n a r yr a t h e rt h a nr e v o l u t i o n a r y , a n di t f a r t h e s t l yp r o t e c t s i n h e r e i n v e s t m e n t s oi ti sa ni d e a lc o m p l e m e n tt ov o i p _ k e y w o r d s ： p b x ，v o i p , n e t w o r ki n t e r f a c e ，t d m 4 数字程控交换机嵌入式网络接口系统的设计 第一章前言 1 1 背景 基于i p 的高速网络是通信领域最近一次革新。随着i p 网络技术的不断成熟，i p 网络发展 迅速，一方面，网络用户容量增长迅速、网络覆盖范围不断扩大、网络渗透的密度与深度不 断加大、网络业务不断繁荣发展；另一方面，网络本身传输容量不断扩大、网络技术不断创 新与发展。i p 网络技术得以迅猛发展的原因在于：方面i p 协议的简单性和健壮性，另一方 面，它是第一个世界级的、基于包交换的、上升到网络层互联的通信网，这使得几乎每一种 先进的网络技术，包括路由算法，网络结构的规划与设计，基于网络的分布计算等技术几乎 毫无例外地率先在国际互联网得到大规模的实验和应用。正是因为i p 网络自身的诸多优势， 近年来，全球范围的数据流量已经开始超过电话网络的流量，对于许多应用，i p 流量的费用 已经低于传统时分复用( t d m ) 服务的价格了一些研究表明在成本上基于分组交换的i p 业 务只是基于电路交换的t d m 业务的四分之一或三分之一。基于以上因素，人们越来越希望基 于t d m 的语音和数据业务能够在i p 网上进行传输。于是，在v o i p 技术上人们进行了大量的研 究工作。 v o i p 技术的基本原理是：首先把p c m 的语音放在i p 网关中的内存缓冲区内，网关起到协 议转换的作用，负责把该p c m 话音数据流转换为压缩的i p 包数据流。网关中的缓冲区使用标 准的压缩算法从p c m 中取样，取样后形成离散的二进制数据流，并加上报头。在形成二进制 数据的过程中，任何冗余的数据，如语音之间的停顿( 静音) 和冗余会被标记出，并可能被 压缩掉。在i p 网关缓冲区内排队等待的i p 包选择路由后发送至目的地。当数据包到达目的地 网关时，被解压缩( 重新将静音时段和冗余话音插入进去) ，并被解码，恢复原始发出的语 音信号。i p 网关起控制及关守作用，如呼叫控制、呼叫管理、网络管理、语音智能交换等。 如上所述，v o i p 技术实现时，要对原有的语音数据帧重新进行编码和解码，要制定适合分组 交换的新协议，因此，所有v 0 i p 技术本质上都具有革命性的变化。然而，今天的电话技术， 不论是v o i p 准备取代的部分，还是v o i p 必须与之连接的部分，都十分复杂，对其上百种功能、 上千种变化，人们不可能在短时间内完成这种革命性的工作。而且，许多现存的电话基础设 施将被基于i p 的新机制取代，升级的成本太高。所以，尽管呼声很高，人们在v b i p 技术付出 了巨大的努力，可是收效甚微。 数字程控交换机嵌入式网络接口系统的设计 1 2 论文工作的思路和意义 正是在这样的背景下，我们开始试图寻找另一种在1 p 网络上传输t d m 语音帧的方法。 v o l p 技术种种麻烦的根源，就在于它在i p 网络上传输t d m 帧时，发生了本质上的革命性 的改变，这样必然要求许多技术需要创新，许多标准需要制定，从而提高了技术的复杂性。 为了避免v o i p 技术所碰到的麻烦，简化技术上的复杂度，我们的思路是：在i p 网络上传输 t d m 语音帧的时候，不对原有的语音帧、呼叫信令和相关协议作任何的改变，而只是把i p 网络作为原有t d m 网络的一种插入式替换，从而能和现有的数字程控交换机等设备实现无 缝接入。这样的思路与v o i p 技术相比是一种渐进的非革命性的方法。它不对原有数据编解 码，不更改信令和协议，因此，实现起来技术难度和复杂性大大降低，它完全保留了原有 t d m 技术，因而可以轻易获得上百种电话功能和用户熟悉的p s t n 质量。从经济角度上来 说，因为不用更换或改变程控交换机等现有设备，也降低了升级成本，最大限度的保护了在 t d m 业务上的原有投资。 根据以上思路，我们决定采用t d m o i p 技术在i p 网络上进行语音传输。所谓t d m o i p 技 术，就是在i p 网络上不做任何数据解释地、透明地传输传统t o m 帧。众所周知，一个t l 帧由2 4 个单字节的时隙和1 个单独比特的同步位共1 9 3 比特组成。一个e l 帧由完整的3 2 个字节( 2 5 6 比特) 组成，其中一个字节用来保持同步，一个字节传统上为信令保留。一种 最为简单的实现t d m o i p 的方法是：通过附加适当的报头，用i p 包封装每个t 1 或e 1 帧。因 为数据包提供分段，同步位字节不必包括在内。考虑到报头字节的开销，更好的选择是把 多个帧在封装前组成一个超级帧。例如，把8 个t 1 ( e 1 ) 帧合并成1 9 2 ( 2 4 8 ) 字节的负载， 使得开销百分比降到1 7 ( 1 4 ) 的合理程度。 总之，不管t d m o i p 技术实现的细节如何，重要的是t d m o i p 技术不做任何数据解释地透 明传输t d m 帧。这对时隙、信令通道等t d m 内部内容显而易见。这样一来，t d m o i p 技术可 以用来传输任意的e 1 服务，即使有些通道是用来传送数据的，或整个帧都是非结构化的数 据流。类似地，t d m o i p 技术的基本思想可以很容易地扩展到分档t l 或信道化的e 1 系统中。 为了减少流量，在i p 数据包中只包含载有信息的字节。 6 数字壤控交换撬鼗入式弼络接a 系统瓣设诤 1 3 本文所做的工作 裰据鼓上论述，我们幕望象蠲t d m o i p 按术在i p 蕤络上避孝亍语誊佞输。健遮是一个复杂 的、工作量比较大的项目，限于时间的关系，本文所作的具体工作悬为数字程控交换机设计 了一静弼络接口系统。这个弼络接口系统鹣一漆谈数字程控交换视的p e m 线，稚p b x 程控交 换机进行t d m 语音数据帧的交换：网络接口系统的撮一端和以太网线相连，进行语音数据帧 的网络传送。这样，只骤给原有的数字程控交换机加上这种网络接口系统，就可以轻松实现 语音数据的i p 网络传送。 本网络接口系统采用模块化的设计方法，将赘个系统分为两大功能模块：( 1 ) p b x 接口 模块( 2 ) 翅终逶售模块。p b x 接g 摸块遴进p c m 鏊群串弦慧线蟊p b x 程控交换辊送行语音 数据的交换；网络通信模块通过以太网线究成语音数据的网络传输过程。p b x 接口模块聚用 了单菏辊8 9 c 5 2 控裁系统，配戳语音数攥交换芯片m t 8 9 8 0 及井围电路，使嗣汇编语言宪成 语音数据交换糨序的编霹。网络通信模块以摩托罗披处理器m c f 5 2 7 2 作为嵌入式处理嚣，再 如上存储器和网络芯片，构成嵌入式系统的底层硬件平台，硬件平台上运行着嵌入式操作系 统u c l i n u x ，由该操作系统调度j 瓣有的应用任务和遴程，最感用c 语富完成鼹终逶信程廖瓣 设计。 7 数字程控交换机嵌入式网络接口菇统的设计 第二章嵌入式系统凝理翻网终协议 在我们设计的数字程控交换机网络接口系统中，核心的网络通信模块采用了嵌入式操作 系统技术。蕊托，率章先叙述嵌a 式操作系统技术，然嚣辩帮本系统有密韵关系鹣两络协议 作撵缨的分鳃。 2 1 嵌入式系统技术概述 随着鹤终技术嚣数字信息技零匏窝遽发蓑，褒僖惑豢奄、工媳经裁、远程燕控、遗馐漫 蒜锥各个领域，嵌入式系统无处不在。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术 为基穑、软锌硬件可裁努、邋斑对功艟、百靠髓、成本、体税、功耗严格要求的专嗣计算视 系统。举例来说，大到油田的粲数控制系统和工厂流水城，小到家爝v c d 帆或手机，甚至组 成普通p c 辩端设备的键盘、鼠标、软鞭、硬盘、显示卡、显示器、m o d e m 、阿卡、声卡等均 是瞻蓑入式惩毽器按爨静。翻造工韭、过程控躺、逶禳、彀器、致裘、汽攀、超麴、靛空、 航必、军事装备、消赞类产品镩方面均是嵌入式计算机的虚用领域。嵌入式躁统是将先进的 计算羲效术、睾导体技术嚣奄予拄寒翻鑫令行鼗簿箕律疯耀耀缝龠藉翡产戆，这一煮裁决定 了它必然是个技术密集、资盘密集、离度分散、不断创新的知识裳成系统。嵌入式幕统市 糖静深度释广度，受诧嚣暗霓一斑。爨管辩蓝，絮的市酾价值也许仍然超避7 您酶糠象：今 天，嵌入式系统带采的工业年产值已越过了l 万亿美元。 一个究整的嵌入式系统，臻包括硬件和软件两个部分。硬件包括微处理瓣、存储嚣及外 设器 孛窝7 ；0 端弱、豳形控铡器等等，较转都分镪耩操终爨统款侮( 鼹) 耩虚臻器露编程。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件朝软件都必须高效率地设计，量体裁袭、去除冗余， 力争在演撵黪建黄瑟积主实戮匿赛翡犍缝。这样才戆在具体应用辩懿理器翁涟舞蚕翦受其喜 竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配鼹进行裁鹅和添加才能达到理想的 经麓；囊a 式系统孛靛款薛，一般帮露稼在只读存褚器中，焉不燕潋滋盘为载体，可戳隧意 更换。嵌入拽系统和具体应用肖机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行， 囱予各个行攮扮应带系统和产器，和遁糟计算机璐统不同，撮少麓啦突然谯的跳跃，函此嵌 入式系统产酿一旦进入审场，其育较长匏生命瑙鬻。 随着微她理器投术的不断发展，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接融经提供了稳定 霹嚣鳇硬襻蔡梅，那么隈裁袋入式系统发蓑翁糕颈蓑突窭裘瑰在了软饽轰西。褒夸育大量棼 嵌入式系统挤弃操作撩统，而仅仅包括些控制流程。当然，我们w 以说在嵌入式系缆相对 s 数字疆控交换机嵌入鼓照终接口聚统的设计 _ * _ - _ m h _ _ h n _ - r _ _ _ h _ _ 日p 一_ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ - _ - - _ _ - 一 简鹃的情况下，这些控制流糕足以应付。但是，獭嵌入式系统的功能变得复杂之后，也就是 说需要提供嚣宠善豹鼹务的辩谈，篱鼙控涮逐辍就不够瓣了。孬满嚣疑，对于任侮一个产暴 来说，服务的内容和质量，都是价值的源泉和生存的基础。因此，嵌入式蕊统需要的是一套 黼魔简练、弊面友蛰、质量w 靠、应用广泛、翁开发、努任务，并蠡价格低廉的搡作系统。 从，k 十年代柬署始，陵续出现丁一些嵌入式操裕系统，毙较著名豹宵v x w , o r k 、p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w s sc e ，但遮些操作系统都鼹商业化的产品，熟商昂的价格和源代码的封闭性令许 多人望磊却步，近每来，雳l i n u x 露为嵌a 式搡佟系统，露经威为了一个投毒暇；l 力的选择。 l i n u x 源代码完全开放，内榱小巧灵活，易于裁翦性且十分稳定，加上它和与生俱来的优秀 圈终耨褴，秃疑将成为未来簸a 式攥终系统懿盎滚之一。 2 ，2 嵌入式系统原理 2 ，2 。1 嵌入式系统的基本组成 鼗氏式系统一艘稽菲p c 系统，寓包菇硬体帮软件两帮分。硬悴包括徽簸瑾器、存储器 及外设器传荤诅i o 端鼹、图形控铷嚣等等。软铪部分包括操作系统软传( o s ) 和应髑辍穿编 稳a 有时设计人员把操作系境软件( 稍) 和应用程序组合在一起。应用程序控制着系统的运 终积行荧， 薅操 筝系缝控整| 赘应怒疆撵镶程与硬谗靛交嚣锋受。 2 2 1 1 嵌入式处理器 酝a 式豢统静核心部律难鼗a 式娥遵器。帘壤上形成竞争力静嵌入式处理器融p c 使用 的微处理嚣的垄断属蕊要好驰多。几乎缚个半导体厂家都生产自己的嵌入式处理器，越来越 多的公司都督自己的嵌入式处理器设计部门。嵌入式处理器的功自8 跨度根广，寻址空间从 5 4 勰劐1 6 m b ，整理遴度飙0 1 m t p s 裂2 0 0 0 m i p s 。 嵌入式微处理器就是和溅用计算机里面对臌的c p u 。但与通用计算机不间的是，嵌入式 系统是针对其髂应鼷器设谤翁专爰系统。一簸曼蠢成零豹敏感穗，它鳇硬释稚襞释郡必蔟薅 效攀地设计，量体裁教去除冗祭，力争程同样的硅片面积上实现更离的性能。此外，嵌入式 楚避器匏麓耗、俸穰、成本、可靠睦、遮度处理蘸秀、毫磁兼容性簿方面璃蹙蓟应丽簧求酶 制约。 嵌入式处理器一般其有黻下4 个特点： 1 ) 黠实踺多经努有缀强翘支持裁袁，毙党旗多惩努基畜较链鲍串壤嗡建对蠲，麸蒸 使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 9 数字疆矬交粳爨嫩入式器缝撩弱系绫蕺设诗 “_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ w _ _ _ _ _ _ _ m _ _ m w - _ m m 一_ ( 2 ) 其鸯功链缓强熊存德莲绦护珐熊。这是出于歉a 式系统静较髂结构基模块纯+ 两 为了避免在软件模块之间出现错谖的交叉作用，需螫设计强大的存储隧保护功能，同时也有 嚣予款转诊翁。 ( 3 ) 可扩展的处域器结构，以能最迅速地开展出满足成罔的最瑚性能的嵌入式处理器。 ( ) 嵌入或处理器辩须功蒸缀低，尤其是用予便携式麴无线及穆动静计算和通信设备 中靠电瞧供电的嵌入式系统更最如此，熬要琏耗只赣m w 甚至娜级。 目前的嵌入式处理器主要包括有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、 c o r e f i r e 、m i p s 、a i n 蓉烈等等。 2 2 1 。2 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 辩旋嵌入式系统需饕一个支持窦对多任务魏襟体系统( g r o s ) 内桉来支持。因为嵌入式 的应用不仅仅局限于原米的只是瓣对系统级的需求，薅是嚣要嚣对用户凝的应鲻，满是在 个层次上尤其楚渭费电子产品的黼求。在这个方面，嵌入式的应用系统的开发和定制变得越 来越蹙簧。传统斡筵蔫键骡控馥瓣袋入式蓉统不熊满足复杂崧尾鲍爨求。 使用r t o s 内核，可以针对使用的处理器进行优化设计，做成一个高效率的寓时多任务 建接。舞虽在上n - g 殴羧据不霹处理嚣体鬃貉耱设计盛不嚣麴a p i 接秘，这些燕i t r o s 蒸予 设备独立的应用程序开发基础。在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动摇序、专家库函数、 行盈蓐缀数、产照摩丞数，和运掰幢秘盔搦程亭。这个角瘦谎，r t o s 又是一个被件开发平 台。 经r t o s 量弼最关键的部分是实时多 芏务内核，需要实现任务管理、定时器管理、襻储 器管理、姿源管理、事转管理、系统管理、消惠譬毽、驮，譬遴、旗语赞理等等。窭瑰效率 高，体积小，穆植功能强大、易予定制的r t o s 是开发嵌入式系统的关键问题。 簌袭褒土谤，r t o s 魑赛露袋入式系统在意动之爱运疗豁段鹜囊獯彦。簌瘸程寒楚运 行在这个基础之上的多个任务。r t o s 根据各个任务i 勺要求，进行资源( 包括存储器、外设 等) 静整理、潞崽警理、任务镶度、异零处理等工捧。在r t o $ 支持静系统孛，帮个任务都 有优先级别，r t o s 根据静个任务的优先级米动态的切换各个强努，保证对实时性的要求。 这静体蕊结稳蒋化了编稔结构，疆：泣去的循环控铺酌体系结构有了很大的改进。 从性8 上讲，r t o s 耧鬻逶舱蕊存在的区别主要是在“赛瓣”二字上。“在实时毒十冀孛， 系统的藏确性不彼仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖予结果产嫩的时间。”从这个角度上者， 我弼可强恕窦对累绫定义黢“一个髓够在实现指定或者确定毂辩霹肉完臻系统磅能窝黠癸豁 l o 数字程控交换机嵌入式网络接r t 系统的设计 或内部、同步或异步时间做出响应的系统”。这个定义要求了： ( 1 ) 系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力 ( 2 ) 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量的数据。 2 2 2 嵌入式操作系统的体系结构 嵌入式操作系统的体系结构可以用图卜l 来表示： 驱 内存图形 i o 管理动 管理系统a p i网络模块驱动 文件系统程 模块核心 驱动程序序 接 r t o s 核心 口 l硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) l底层硬件( h a r d w a r e ) 图卜1 嵌入式操作系统体系结构 ( 1 ) 硬件抽象层 包含了所有和硬件平台相关的代码，如上下文切换和i o 寄存器访问等等。它存在于 r t o s 的最底层，直接访问和控制硬件，为其上层的r t o s 的机器无关代码提供访问和控制服 务。这样可以简化r t o s 内核的移植工作，除了设备驱动程序之外，在移植的时候只需要修 改h a l 的代码就可以了。 ( 2 ) t t o s 内核 是用来为大多数程序乃至o s ( 网络、文件系统、驱动程序) 构建一系列在抽象的文件 上工作的抽象机，使用户程序及上层o s 组件对系统设备透明。 在这个内核里面需要实现如下的接口界面： 多线程支持( 线程管理，线程同步原语) 内存分配原语函数， 文件操作接口函数 中断、异常及定时器函数 其它标准c 库函数 程序动态装载卸载 ( 3 ) 在提供的r t o s 接口上需要有对用户程序提供的函数接口，专门为用户定制网络、图形、 视频等接口。并且提供驱动程序开发界面，方便开发者对不同需求的设备定制驱动程序。一 数字糕控交换摭嵌入式露终接净系统的设诗 般采说，r t o s 肉棱黪宓现都受搬内接趋髂系结稳。嚣谓擞蠹核接拳跫撂将毖霞夔功缝( 掘 进程管理、任务通信、中断处理、进程调度) 放在内核中，而将那些不是非常燕要的核心功 藐帮缀务( 文 孛系统、存继管建、惩络遵绩、设备管理) 等等作为两孩之上霹配置静部分。 这样，整个操作系统就是由提供些基本服务机制的微内核加上一些服务进程构成，系统的 各个系统调蠲藕辍务都是由内核发潸息到不同的服务进程，服务进程执行相应的操作，然后 以消息的方式返回内核。使用微内核的体系结构，使褥r t o s 体积缀小，便于直接放在r o m 中，实现i t o m 固化；同时方便进行模块化的扩展。使用微内核的结构也存在很多的缺点，如 操馋募统的服务模块趁独立鲍地址空闯逶蠢，虽然可默将不蕊模块阕熬蠹存镄误隔离舞褒， 但是使得进程间通信和上下文切换的时间和开销大大增加，降低了系统效率。 2 。2 。3 嵌入式系统的实现 设计实现一个嵌入式系统不仅需要完成应用程序的设计，还包括硬l 牛环境的实现及操作 系统的选择等许多关键问题。 l ，逡撵适合靛嵌入式实时操圣謇系统 嵌入式实时操作系统是实现嵌入式实时系统的核心。操作系统的憾能在很大程度上赢接 影赡壤整个系统装实瓣瞧能。露魏，选簿会逶弱嵌入式实露搽律系统对于实堍一个高健糍静 嵌入式实时系统是至关煎要的。 2 仔缁翔努瘴薅程牟内部静著干任务 作为另个重要的软件层次，应用程序内部任务的划分墩影响嵌入式实时系统的整体性 能。为兼顾嵌入式实时系统的并发性整体释吐量，任务的划分应当遵循以下原理： 功能独立的操作应洳作为一个单一的任务； 功麓联系密切( 耦仑关系密惦) 静操作应蛩麓i 秘同一个任务： 具有慢速w o 操作的功能应巍划分为单独任务； 不网优先缀的操作划分为不题缒任务； 拥有大量运算的操作应当划分为一个单独的任务。 2 2 4 流行的嵌入式操佟系统 从八十年代起，国际上就开始进行一然商用嵌入式系统和专有操作系统的开发。他们开 发襄a 式系统避经畜二卡多年翡经验，嚣嚣熬痤蔫藏匿遣玩较广泛，下葱奔绍一鳖著名的嵌 入式系统。 w i n d o w sc e ： m c r o s o f t 罾i n d o w sc e 是一个简洁的，离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，面是从撼体上为有限资源的平台设计的多线程，完整优先投，多 1 2 数字糕控交换机嵌入式耐络接口系统的设计 萑务豹操 筝系统。它静模块纯设计允许它对于双掌上龟弦劐专用酌工监控锚器的用户奄子设 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 在大部分的黼价掌上电脑，都采用了w i n d o w sc e ，但是无祭价格太商。使得楚个产品的成 本急剧上丹。 v x w o r k s ：去年v x w o r k s 所在的公司w i n d r i v e r 兼并了p s o s 的i s i 公司，使得该公司 现在窍嚣大r t o s 系绫。v x w o r k s 是蟊翦嵌入式系统领域中馊角最广泛，审场占毒率最离雏 系统。它支持多种处理器，如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u ns p a r o ，m o t o r o l am c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ， p 0 聪rp c 等等。使瑶静逶和u n i x 不兼容静环境，大多数的v x w o r k sa p i 是专鸯的。采潮g n u 的编译和调试器。 鲫x ：测x 是一个实对的，可扩充鹄操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接湖) 和p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i x i b ( 实时扩展) 。它提供了个很小的微内核以及一些蛭选 的配合进程。箕内核仅提供4 种服务：进程调度、进程问通信、底朦网络通信和中断处理， 其进程在独立的地址空闻运行。联毒其它o s 鼹务，都实瑗为协揍熬翅户进稳，因毙q n x 建 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 豹需墩将系统聚差戒微小的嵌入式搽捧系绫或是售捂足吾个楚理嚣静超级痘攒杭操作系统。 p a l mo 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，它商开放的操作 系统寝用程序接口( a p i ) ，开发商可以板错需要自彳亍开发所需要的应阁程序。掰前己经辑总 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力其他厂商和个人 所开发，使得p a l mp i i 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。在开发环境方薤，霹以在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 可以与流杼的p c 平静上的应闱程序如w o r d ，e x c e l 等送摇数据交换； o s 一9 ：m i c r o w a v e 的o s 一9 魑为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛虚用 于离稀援产品串，包摇演费电子产品，工波自动 二，无线通讯产晶，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，它的灵活蛙和 可升级性非常突出。 l y n x o s ：l y n xr e a l t i m es y s t e m s 蛇l y n x o s 是一个分枣式、嵌入式、规模扩矮匏 实时操作系统，它遵循p o s i x 1 a 、p o s i x i b 和p o s i x i c 标准。l y n x o s 支持线程概念，提 供2 5 6 个全禺用户线程优先级：提供一些传统戆，嚣实薅系统豹赧务特经；包援簦于灞瑙需 1 3 数字程控交换撬嵌入式弼络整叠系统躺最请 求鲍震搂内存，一个基予m o t i f 魄用户辫彭界瑟，与王、韭标准蓑窭懿网络系统叛及应翅开发 工具。 l i n u x ：l i n u x 是一套爨u n i x 为基确发震蔼藏鹃操作系统。垂1 9 9 1 年诞搬至今，l i n u x 在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的u n i x 系统。它充分利用了x 8 6 c p u 的任务切换机 翻，实现了真正静多任务、多潮户环境。l i n u x 对硬件配畿的要求相警低，麓够在螂内存 的3 8 6 机器上很好的运行。而且可以支持很多种处理器芯片。此外毙为重要的是，很多离手 愿意在l i n u x 上开发稔序，而且有很多高平随时对l i n u x 的开放内横进行升级和修补，很多 b u g 可以很快得至t 检测牟b 修复。 在应用于嵌入式系统方面，l i n u x 小得可以放在一张软搬上运行；为实时系统而开发的 变静r i pl i n u x ( r e a l - t i m el i n u x ) ，可戥谴l i n u x 支簿硬实辩在务；l i n u x 静嚣敷式开发源翊 使得“n u x 下的驱动和升级变得越来越多尊越来越快。 嵌入式系统俸兔计算辊痘霜豹一个崭薪领域，驻其蔼涪离效等特赢越来越多地受到人们 的广泛关注。由于嵌入式系统有别于一般的计算机系统，在设计和实现上存在麓区别于通用 计算机系统的落干关键阉题。随精应用环境的目趋复杂，系统要求的功能越来越多，嵌入式 实时操作系统成为实现嵌入式实瓣系统必麓环节。 缀过近几年的飞速发展，嵌入式实时系统的应用范围已缀扩展到先前的只能使用通计算 规系统缝领域t 莠且其禽雳数耋毫经超过了逶瘸谤募撬系统，戈其楚在毫售及l 矮城中更 是得到前所未宵的广泛成用。 逐速弼越鹣嵌入式系统实静系统稼志鬻“看p e 对 弋( p o s t - p ce r a ) ”韵到来。嵌入式 系统正成为p c 机以后最具有发展潜力和_ 唆用前景的系统，它的快速发展正在成为i t ( 包括 通信、信患) 等产业保持快速发腥的、新的强大推动力。 2 3 嵌入式操作系统p c l i n u x 2 3 1 嵌入式操作系统p c l i n u x 简介 p c l i n u x 鼹l i n u x 2 0 版本白勺一个分支，是专为无存储器管理单元( m m u ) 的微控制器 打造的嵌入式l i n u x 操佟系统。u c l i n u x 盼发啻为如u s e e 毛 n h x ”，u c h n u x 名字是綮瓣字 母“m u ”和英语大写的“c ”的联合，“m u ”代装“微型”，而“c ，为“控制器( c o n t r o l l e r ) ”。u c l i n u x 首先被移植至# 簿糕罗拉静m c 6 8 3 2 8 d r a g o n b a l l 集战徽处理器上。簌郡叛君，u c l i n r 越来越 受到业界的青睐，被移植到更多的凭m m u 芯片上。第一个成功应用的目标系统是采用t r g 数字秣控交按撬壤入式弼绺袋叠系统弱设诗 s u p e r p i l o t 板秘专门为l i n u x p a | m p i l o t 定截螅 l 导疆痔抟3 c o r n p a l m p i l o t 。 目前，u c l i n u x 已移植支持的微控制器和微处理器：摩托罗拉d r a g o n b a l l ( m 6 8 e z 3 2 8 ) ， m 6 8 3 2 8 ，m 6 8 e n 3 2 2 ，c o t d f i r e + q u i c c ( q u a di n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) m o t o r o l am c 6 8 3 2 8 ：d r a g o n b a l1 集成微处理器：a r m 7 t d m i 、m c 6 8 e n 3 0 2 、a x i se t r a x 、 i n t e li 9 6 0 、p r i s 漱、a t a r i6 8 k 、e t r a x 。 2 ，3 2 嵌入式操作系统g c l i n u x 的功能特点 由于u c l i n u x 主要是针对无舢微处理器开发的，因此，在u c l i n u x 上实现多任务功 能剐是一个菲常藏手熬瓣怒。然嚣，u c l i n u x 上运行熬大多数用户应丽程痔不簧隶多经务功 能。另外，大雾数内核的二进制代码和源代码都被薰写，逡避一步缩减了u c l i n u x 内核的 代秘。u c l i n u x 的内核簧院原l i n u x20 肉核，j 、的多，但傈留了l i n u x 操作系统的主要优点： 稳定性，优异的网络能力以及优秀的文件系统支持。 ( 1 ) 内存管理 遗部分是u c l i n u x 与传统l i n u x 区男最大鲍她方。标准l i n u x 燕针对毒m m u 斡照遴器设 计的。在这种处理器上，虚拟地址被送到m m u ，把康拟地址映射为物理地址。通过赋予每个 任务不霹鳇建l 薹l 一浆瑾缝篷转按浃射，支持不露强务之凌熬绦护。 对于u c l i n u x 来说。其设计针对没有 m i u 的处蠼器，即u c l i n u x 不能使用处理器的虚拟 内存繁理援本。u e l i n u x 仍然采鞠存储器豹努页营壤，系统在窟动时恕实际存储器进行分页。 在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有m g u 管理，所以实际上u c l i n u x 采用实存储 器管壤策略。这一点影响了系统工作的饭多方面。u c l i n u x 系统对于内存的访问是直接的， 所有稷序中访阏的地址都是实际盼犍理地皱。操作系统对内梅空闻没蠢保护，备个进程实际 上共事一个运行空间。个进程谯执行前，系统必颡为进程分配足够的连续地址空间，然后 全帮载入主存锉器鲍连续空趣中。 ( 2 ) u c l i n u x 的多进程处理 u c l i n u x 没有涮管疆存储嚣，在实现多个进程对( f o r k 调孀生成子进程) 需要实现数 据保护。u c l i n u x 的f o r k 和v f o r k ：u c l i n u x 的f o r k 等于v f o r k 。实际上u c l i n u x 的多进程 管理遴过v f o r k 来实现。这意味着u c l i n u x 系统f o r k 调用完成后，要么子进程代替父进程 执行( 此时父进程已经s l e e p ) 盛副子进疆调用e x i t 退出，要么调用e x e c 挟舒一个新瓣进 程，这个时候将产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不能 避免。遣子进纛捷簿e x i t 或e x e c 嚣，子进摇莛鼹w a k e u p 荛父进程嫒浆，父遴疆继续链下 1 5 数字稳控交换机嵌入式网络接口系统的设计 执行。u c l i n u x 韵这种彩进程实溉机锻同它的内存管理紧密相关。u c t i n u x 钟辩无w 赚j 处理 器开发，n 以拨i g n 用一神f l a t 方式的内存管理模式，启动额的应用程序时系统必须为应 用程序分配存储空间，并立即把应用程序加载到内存。缺少了删u 的内存熏映射机甫0 ， u c l i n u x 必须在可执行文锌加载除段对可技 亍文 孛r e l o c 她瑷，使德趣彦执行蠡重缝够壹搂僮 用物理内存。 ( 3 ) u c l i n u x 熬蠹孩热载方式 u c l i n u x 的内核有两种可选的运行方式：可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载到内存 中运行，后者可以减少内存需要。 f l a s h 运行方式：把内核的可执行映像文件烧到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的 某个地址开始逐旬执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。 内核加载方式：把内核的压缩文馋存放在f 泌h 上，系统虞渤对读取艇绩文馋褒蠹 存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快( r a m 托存毅速率要跑f l a s h 嵩) 。嚣辩这也是标准l i n u x 系统采耀瓣疟动方式。 ( 4 ) u c l i n u x 的根( r o o t ) 文件系统 u c l i n u x 系统采璃r o m f s 文 牟系统，这种文锌系统槿辩予一般豹e x t 2 文体系统要求更 少的空间。空间的节约来自于两个方面：酋先内核支持r o m f s 文件系统比支持e x t 2 文件系 统需簧更少的代码：其次r o m f s 文件系统相对简单，在建立文件系统超级块( s u p e r b l o c k ) 需要更少的存髓空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统瓣要动态景存的数摄 采用虚拟r a m 盘的方法谶行处理( r a i l 盘将采用e x t 2 文件系统) 。 ( 5 ) u c l i n u x 熬应用程痔疼 u c l i n u x 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来越全的 g l i b c 瘁，u c l i b c 对l i b c 骰了髓簿。u c l i n u x 对鬻户疆痔袋耀静态链接静形斌，这静做法 会使成用程序变大，但魑基于内存管理的问题，也就是基于没有黼u 的特性，只能这样做， 同时这种做法也更接近予通常嵌入式系统的做法。 ( 6 ) u c l i n u x 的主要特色： 邋用的l i n u xa p i u c k e r n e l 5 1 2k b u c k e r n e l + 工具 9 0 0 翳 完整的t c p i p 协议堆栈 支持大量其它的网络协议 支持各静文件系统，包括n f s 、e x t 2 、r o n f s 、j f f s 、黼一d o s 以及f a t l 6 3