（计算机应用技术专业论文）基于实时操作系统的gprs无线数据终端设计与实现.pdf

摘要 g p r s ( 通用分组无 线业务) 是一组新的非语音通信的增 值业务。 它利用 现有的 移动电话网络发送和接收信息，是现有的电路交换技术和短消息服务的一个补 充。 g p r s无线数据终端为用户提供基于 g p r s的数据透明传输。主要针对电 力、能源等工业领域的自 动化、环保、 市政公共事业、 交通监控等需要提供远程 监控的行业使用。 在这种背景下，本文以设计和实现 g p r s无线数据终端作为主要的研究内 容。本文主要进行了以下研究工作: 1 .介绍了 g p r s的特点和应用，在此基础之上，阐述了 g p r s无线数据终 端的功能、硬件模型。 2 分析了基于不可剥夺型微内核体系结构的嵌入式实时操作系统 n u t / o s 的工作机制和性能特点。内容包括内核的结构、线程调度管理、时间管 理、线程间的通信与同步、内存管理等。 3 .研究嵌入式 t c p / i p技术。 介绍 n u t / n e t软件模块中 t c p / i p协议的层 次结构模型，以 及各个协议层次的技术特性;分析利用 t c p / i p协议进 行网络数据处理的一般流程;论述了在资源受限的嵌入式系统中实现 t c p / i p协议功能必须考虑的设计因素;同时还针对数据链路层的 p p p 协议进行了综述。 4 ，针对 g p r s无线数据终端的应用特点， 进行应用层软件的设计和实 现 实现了数据的透明传输。 关键字:g p r s ，无线数据终端，实时操作系统，嵌入式 t c p / i p , n u t / o s , n u t / n e t ab s t r a c t t h e g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e ( g p r s ) i s a n e w n o n v o i c e v a l u e a d d e d s e r v i c e t h a t a l l o w s i n f o r m a t io n to b e s e n t a n d r e c e i v e d a c r o s s a m o b i l e t e l e p h o n e n e t w o r k . i t s u p p l e m e n t s t o d a y s c i r c u i t s w i t c h e d d a t a a n d s h o r t m e s s a g e s e r v i c e . g p r s w i r e l e s s d a t a t e r m i n a l p r o v i d e s u s e r s w i t h t r a n s p a r e n t d a t a t r a n s m i s s i o n , w h i c h m a i n l y f o c u s e s o n r e m o t e c o n t r o l b u s i n e s s , s u c h a s a u t o m a t i o n o f e l e c t r i c p o w e r s y s t e m , e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n , g o v e r n m e n t p u b l i c s e r v i c e , i n t e l l i g e n c e t r a ff i c , e n e r g y s o u r c e s a n d in d u s t r y . u n d e r s u c h b a c k g r o u n d , t h i s p a p e r s e l e c t s th e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f g p r s w i r e l e s s d a t a t e r m i n a l a s t h e ma i n r e s e a r c h d i r e c t i o n , w h a t i t b o i l s d o wn t o : 1 . t h i s p a p e r in t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r i s t i c a n d a p p l i c a t i o n o f g p r s , a n d o n t h e b a s e s , e x p l a i n s t h e f a c t i o n , h a r d w a r e m o d e l o f t h e g p r s w i r e l e s s d a t a t e r m i n a l . 2 . t h i s p a p e r a n a l y s e s w o r k i n g m e c h a n i s m a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f n u t / o s , a k i n d o f e m b e d d e d r e a l - t i m e o s b a s e d o n n o n - p r e e m p t i v e k e r n e l s y s t e m s t r u c t u r e , w h i c h c o n t a in s t h e s t r u c t u r e o f k e rne l , s c h e d u l i n g m a n a g e m e n t , t i me ma n a g e m e n t a n d s o o n . 3 . t h i s p a p e r s t u d ie s t h e e m b e d d e d t c p / i p t e c h n o l o g y , i n t r o d u c e s t h e t c p / i p l a y e r s t r u c t u r e m o d e l i n t h e c o m p o n e n t o f t h e n u t / n e t a s w e l l a s t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c h l a y e r , a n a l y s e s th e g f o f n e t w o r k d a t a p r o c e s s u s i n g t h e t c p / i p , a d d r e s s e s w h a t k i n d o f d e s i g n e le m e n t s s h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t t o r e a l i z e t h e f u n c t i o n o f t c p / i p i n t h e e m b e d d e d s y s t e m s w h e n t h e r e s o u r c e s a r e l i m i t e d , a n d m e a n w h i l e s u m m a r i z e s t h e p p p o f th e d a t a l i n k l a y e r a s w e l l 4 . t o a i m a t t h e g p r s w i r e l e s s d a t a t e rmi n a l a p p l i c a t i o n s c h a r a c t e r s , t h i s p a p e r d e s ig n s t h e a p p l i c a t i o n s o f t w a r e a n d r e a l i z e s t h e t r a n s p a r e n t d a t a t r a n s m i s s i o n . k e y w o r d s : g p r s , wi r e l e s s d a t a t e r m i n a l , r e a l - t i m e o s , e m b e d d e d t c p / i p , nu t / o s . nu t / n e t 1 前言 1 . 1课题研究背景 嵌入式系统一般指非 p c系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软件硬件可裁减， 适应对功能、可靠性、 成本、体积、 功耗有严格要求的专用计 算机系统仁 9 ) . 典型的嵌入式系统开发一般由两部分组成: 以 微处理器伽 p u ) 或者 微控制器( m c u ) 为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统( r t o s ) 的软 件开发。 随着现代集成电 路的发展，硬件成本的下降、性能的提高、体积的减小、功 耗的降低，嵌入式系统受到工程师们的青睐，在制造工业、过程控制、 通信、 仪 器、 汽车、 船舶、 航空、 航天、 军事装备、 消费类产品等方面得到了广泛的应用。 其应用数量将会远远超过了各种通用计算机系统。 网络技术的发展，使得 工 n t e r n e t己经成为社会的基础设施之一，是信息流 通的重要渠道，也是地球上最大、最普及的网络系统【 7 。如果各种嵌入式终端 也能够接入 i n t e r n e t ，则可以方便、快捷、低廉地在世界上的任何一个地方通 过网络进行过程控制和信息发布。 另外它还有以下优点: 不需要专用的通信线路， 可以利用现成的全球网络; 通过网络能传输包括图像在内的任何数据信号， 而且 协议是标准的、公开的。 无线数据通信的应用的越来越广泛，促使无线传输需求的骤增，中国移动适 时推出了 g p r s业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。g p r s 网不但具有覆盖范围广、 数据传输速度快、 通信质量高、 永远在线和按流量计费 等优点， 而且其本身就是一个分组型数据网， 支持 t c p / i p协议， 无需经过 p s t n 等网 络的转接， 可直接与 工 n t e r n e t网 互通。 因此 g p r s业务在无线上网、 环境 监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。 1 . 2课题的目标 本课题设计和实现了 g p r s无线数据终端， 利用 g p r s网络实现无线数据传 输。使 g p r s无线数据终端可以将从 r s 2 3 2串口采集来的数据，通过 g p r s网 络、 互联网， 发送到远端服务器处理， 反之， 远程服务器也可以 将数据发送到 g p r s 无线数据终端。 利用 g p r s网络连接到互联网， 实现无线上网， 克服了有线上网 的局限性。特别适用于移动环境、难于布线的场所和边远地区。 1 . 3课题的设计方案 本课题开发的 g p r s无线数据终端，是以 a t m e g a 1 2 8微处理器为中心，通 过驱动 g p r s通信模块，经过 g p r s无线网络连接到 i n t e r n e t实现无线上网。 1 前言 1 . 1课题研究背景 嵌入式系统一般指非 p c系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软件硬件可裁减， 适应对功能、可靠性、 成本、体积、 功耗有严格要求的专用计 算机系统仁 9 ) . 典型的嵌入式系统开发一般由两部分组成: 以 微处理器伽 p u ) 或者 微控制器( m c u ) 为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统( r t o s ) 的软 件开发。 随着现代集成电 路的发展，硬件成本的下降、性能的提高、体积的减小、功 耗的降低，嵌入式系统受到工程师们的青睐，在制造工业、过程控制、 通信、 仪 器、 汽车、 船舶、 航空、 航天、 军事装备、 消费类产品等方面得到了广泛的应用。 其应用数量将会远远超过了各种通用计算机系统。 网络技术的发展，使得 工 n t e r n e t己经成为社会的基础设施之一，是信息流 通的重要渠道，也是地球上最大、最普及的网络系统【 7 。如果各种嵌入式终端 也能够接入 i n t e r n e t ，则可以方便、快捷、低廉地在世界上的任何一个地方通 过网络进行过程控制和信息发布。 另外它还有以下优点: 不需要专用的通信线路， 可以利用现成的全球网络; 通过网络能传输包括图像在内的任何数据信号， 而且 协议是标准的、公开的。 无线数据通信的应用的越来越广泛，促使无线传输需求的骤增，中国移动适 时推出了 g p r s业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。g p r s 网不但具有覆盖范围广、 数据传输速度快、 通信质量高、 永远在线和按流量计费 等优点， 而且其本身就是一个分组型数据网， 支持 t c p / i p协议， 无需经过 p s t n 等网 络的转接， 可直接与 工 n t e r n e t网 互通。 因此 g p r s业务在无线上网、 环境 监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。 1 . 2课题的目标 本课题设计和实现了 g p r s无线数据终端， 利用 g p r s网络实现无线数据传 输。使 g p r s无线数据终端可以将从 r s 2 3 2串口采集来的数据，通过 g p r s网 络、 互联网， 发送到远端服务器处理， 反之， 远程服务器也可以 将数据发送到 g p r s 无线数据终端。 利用 g p r s网络连接到互联网， 实现无线上网， 克服了有线上网 的局限性。特别适用于移动环境、难于布线的场所和边远地区。 1 . 3课题的设计方案 本课题开发的 g p r s无线数据终端，是以 a t m e g a 1 2 8微处理器为中心，通 过驱动 g p r s通信模块，经过 g p r s无线网络连接到 i n t e r n e t实现无线上网。 a t m e g a 1 2 8微处理器上的软件采用的方案可以描述为:嵌入式操作系统+ t c p / i p协议栈+ 应用程序。 在这种方案中，引入了嵌入式操作系统，即在嵌入式系统上首先安装并运行 操作系统，然后运行 t c p / i p协议栈，从而实现嵌入式 t c l 丫 i p a 引 入实时操作系统( r t o s ) 能够把线程管理调度、 线程间通信、内 存管理等系 统功能以函数调用的方式提供给用户，使用户能够将精力放在应用程序的开发 上， 有助于软件通用化和模块化设计， 缩短软件产品的研制周期， 改善了软件的 性能， 提高了软件的可靠性，增强了软件的可扩展性和产品开发的可延续性。 在嵌入式实时操作系统 n u t / o s基础上叠加了支持 p p p 八p / t c p的 n u t / n e t网络软件，使基于 a t m e g a 1 2 8微处理器嵌入式系统的 g p r s无线数据 终端能够在网络中进行数据传输。 软件开发环境选择 i m a g e c r a f t i d e f o r i c c a v r . 1 . 4论文主要工作和概览 本论文从嵌入式系统开发网络通信的角度，简要介绍了 g p r s无线数据终端 的硬件模型和要求， 详细分析和研究嵌入式实时操作系统 n u t / o s和嵌入式网络 软件 n u t / n e t的基本工作原理。在此基础之上，开发出 g p r s无线数据终端的 应用层软件。 论文第二章介绍了 g p r s的特点和应用，在此基础之上， 阐述了g p r s无线 数据终端的功能、硬件模型等。 论文第三章详细分析了基于微内核体系结构的嵌入式实时操作系统 n u t / o s ， 研究分析了不可剥夺式内核的工作机制和性能特点。内容包括内核的结 构、线程调度管理、时间管理、线程间的通信与同步、内存管理等。 论文第四章的内容是关于嵌入式 t c p 八p技术。 因为嵌入式 t c p 八p是嵌入 式系统连接到 i n t e r n e t的关键协议，本章介绍 n u t / n e t软件模块中 t c p / i p 协议的层次结构模型， 以及各个协议层次的技术特性; 分析利用 t c p 八p协议进 行网络数据处理的一般流程; 论述了在资源受限的嵌入式系统中实现 t c p / i p协 议功能必须考虑的设计因素;同时还针对数据链路层的 p p p协议进行了综述。 第五章是针对 g p r s无线数据终端的应用特点， 进行应用层软件的设计和实 现。应用层软件是建立在 n u t / o s和 n u t / n e t软件的基础之上，实现了数据的 透明传输。 我所作的主要工作是设计 g p r s应用层软件模型， 编写应用层代码， 协助导 师设计完成 g p r s无线数据终端硬件电路接口， 详细分析 n u t / o s嵌入式实时操 作系统的实现机制、 修改设备驱动程序， 在 g p r s通信模块处于命令状态时， 使 用 a t命令控制 g p r s通信模块连接到中国移动梦网，测试设备的性能等。 a t m e g a 1 2 8微处理器上的软件采用的方案可以描述为:嵌入式操作系统+ t c p / i p协议栈+ 应用程序。 在这种方案中，引入了嵌入式操作系统，即在嵌入式系统上首先安装并运行 操作系统，然后运行 t c p / i p协议栈，从而实现嵌入式 t c l 丫 i p a 引 入实时操作系统( r t o s ) 能够把线程管理调度、 线程间通信、内 存管理等系 统功能以函数调用的方式提供给用户，使用户能够将精力放在应用程序的开发 上， 有助于软件通用化和模块化设计， 缩短软件产品的研制周期， 改善了软件的 性能， 提高了软件的可靠性，增强了软件的可扩展性和产品开发的可延续性。 在嵌入式实时操作系统 n u t / o s基础上叠加了支持 p p p 八p / t c p的 n u t / n e t网络软件，使基于 a t m e g a 1 2 8微处理器嵌入式系统的 g p r s无线数据 终端能够在网络中进行数据传输。 软件开发环境选择 i m a g e c r a f t i d e f o r i c c a v r . 1 . 4论文主要工作和概览 本论文从嵌入式系统开发网络通信的角度，简要介绍了 g p r s无线数据终端 的硬件模型和要求， 详细分析和研究嵌入式实时操作系统 n u t / o s和嵌入式网络 软件 n u t / n e t的基本工作原理。在此基础之上，开发出 g p r s无线数据终端的 应用层软件。 论文第二章介绍了 g p r s的特点和应用，在此基础之上， 阐述了g p r s无线 数据终端的功能、硬件模型等。 论文第三章详细分析了基于微内核体系结构的嵌入式实时操作系统 n u t / o s ， 研究分析了不可剥夺式内核的工作机制和性能特点。内容包括内核的结 构、线程调度管理、时间管理、线程间的通信与同步、内存管理等。 论文第四章的内容是关于嵌入式 t c p 八p技术。 因为嵌入式 t c p 八p是嵌入 式系统连接到 i n t e r n e t的关键协议，本章介绍 n u t / n e t软件模块中 t c p / i p 协议的层次结构模型， 以及各个协议层次的技术特性; 分析利用 t c p 八p协议进 行网络数据处理的一般流程; 论述了在资源受限的嵌入式系统中实现 t c p / i p协 议功能必须考虑的设计因素;同时还针对数据链路层的 p p p协议进行了综述。 第五章是针对 g p r s无线数据终端的应用特点， 进行应用层软件的设计和实 现。应用层软件是建立在 n u t / o s和 n u t / n e t软件的基础之上，实现了数据的 透明传输。 我所作的主要工作是设计 g p r s应用层软件模型， 编写应用层代码， 协助导 师设计完成 g p r s无线数据终端硬件电路接口， 详细分析 n u t / o s嵌入式实时操 作系统的实现机制、 修改设备驱动程序， 在 g p r s通信模块处于命令状态时， 使 用 a t命令控制 g p r s通信模块连接到中国移动梦网，测试设备的性能等。 2 g p r s概述及 g p r s无线数据终端 2 . 1 g p r s简介 g p r s -g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e , g p r s为通用分组无线业务的简称， 是欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准。 g p r s具有充分利用现有 的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点【 3 1 0 世界电信业的发展趋势是无线语音业务的发展速度超过普通电话业务，两者 间在不断融合。 未来的网络将是一个有线、 无线和互联网三者合一的数字化的全 球网络。其覆盖将超越一切地理障碍，使信息无处不在。g p r s是目前阶段解决 移动通信信息服务的一种较完美、正式推广的业务。 与 g s m c s d业务不同的是，g p r s业务以数据流量计费，而 g s m c s d业务 则以时间计费， g p r s这一计费方式更适应数据通信的特点。 此外， g p r s业务的 速度较 g s m c s d业务也有很大提高，g p r s可提供高达 1 1 5 k b / s的传输速率 ( 最高值为1 7 1 . 2 k 6 / s ) ， 下一代 g p r s业务的速度可以达到 3 8 4 k b i t / s 3 0 a g p r s一个较大的优势是能够充分利用现有的 g s m网，可以使运营商在全国 范围内推出此项业务。 相信在数年内， 通过便携式电脑， g p r s用户能以与 i s d 用户一样快的速度上网浏览， 同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成 为可能。 g p r s用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源， 这意味着多个用户可高 效率地共享同一无线信道， 从而提高了资源的利用率。同时， 用户只需按数据通 信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，g p r s用户可能连接的时 间长达数小时， 却只需支付相对低廉的连接费用， 可使用户的使用费用大大降低。 2 . 2 g p r s特点 g p r s ，通用无线分组业务是一种基于 g s m系统的无线分组交换技术，提供 端到端的、 广域的无线 i p连接。 g p r s充分利用共享无线信道， 采用 i p o v e r p p p 实现数据终端的高速、远程接入。作为现有g s m 网络向第三代移动通信演变的过 渡技术( 2 . 5 g ) , g p r s在许多方面都具有显著的优势。 g p r s有下列特点 3 1 : 1 、可充分利用现有资源中国移动全国范围的电信网络一一 g s m ，方便、 快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署; 2 、传输速率高，g p r s数据传输速度可达到 5 7 . 6 k b p s ，最高可达到 1 1 5 k b p s -1 7 0 k b p s ， 完全可以满足用户应用的需求， 下一代 g p r s业务的速度可 以达到 3 8 4 k b i t / s ; 3 、接入时间短，g p r s接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒; 4 、提供实时在线功能，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务 2 g p r s概述及 g p r s无线数据终端 2 . 1 g p r s简介 g p r s -g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e , g p r s为通用分组无线业务的简称， 是欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准。 g p r s具有充分利用现有 的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点【 3 1 0 世界电信业的发展趋势是无线语音业务的发展速度超过普通电话业务，两者 间在不断融合。 未来的网络将是一个有线、 无线和互联网三者合一的数字化的全 球网络。其覆盖将超越一切地理障碍，使信息无处不在。g p r s是目前阶段解决 移动通信信息服务的一种较完美、正式推广的业务。 与 g s m c s d业务不同的是，g p r s业务以数据流量计费，而 g s m c s d业务 则以时间计费， g p r s这一计费方式更适应数据通信的特点。 此外， g p r s业务的 速度较 g s m c s d业务也有很大提高，g p r s可提供高达 1 1 5 k b / s的传输速率 ( 最高值为1 7 1 . 2 k 6 / s ) ， 下一代 g p r s业务的速度可以达到 3 8 4 k b i t / s 3 0 a g p r s一个较大的优势是能够充分利用现有的 g s m网，可以使运营商在全国 范围内推出此项业务。 相信在数年内， 通过便携式电脑， g p r s用户能以与 i s d 用户一样快的速度上网浏览， 同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成 为可能。 g p r s用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源， 这意味着多个用户可高 效率地共享同一无线信道， 从而提高了资源的利用率。同时， 用户只需按数据通 信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，g p r s用户可能连接的时 间长达数小时， 却只需支付相对低廉的连接费用， 可使用户的使用费用大大降低。 2 . 2 g p r s特点 g p r s ，通用无线分组业务是一种基于 g s m系统的无线分组交换技术，提供 端到端的、 广域的无线 i p连接。 g p r s充分利用共享无线信道， 采用 i p o v e r p p p 实现数据终端的高速、远程接入。作为现有g s m 网络向第三代移动通信演变的过 渡技术( 2 . 5 g ) , g p r s在许多方面都具有显著的优势。 g p r s有下列特点 3 1 : 1 、可充分利用现有资源中国移动全国范围的电信网络一一 g s m ，方便、 快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署; 2 、传输速率高，g p r s数据传输速度可达到 5 7 . 6 k b p s ，最高可达到 1 1 5 k b p s -1 7 0 k b p s ， 完全可以满足用户应用的需求， 下一代 g p r s业务的速度可 以达到 3 8 4 k b i t / s ; 3 、接入时间短，g p r s接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒; 4 、提供实时在线功能，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务 变得非常简单、快速; 5 、 按流量计费， g p r s用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源， 用户可 以一直在线， 按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用， 没有数据流量的传 递时，用户即使挂在网上也是不收费的。 g p r s业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数 据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输， 因而 g p r s业务在某些行业上有特殊的应用。 2 . 3 g p r s组网方案 串口 无线有线 图2 . 1 g p r s组网方案 2 .4 g p r s无线数据终端 g p r s无线数据终端的的主要电子元器件有两个: a p n 专线 g p r s通信模块和微控制 器。 g p r s通信模块是为使用 g p r s服务而开发的无线通信终端。可应用到下列 系统集成中: 远程数据监测系统、 远程控制系统、自 动售货系统、 无线定位系统、 门 禁保安系统、 物质管理系统等。目 前， g p r s通信模块一般是指带有 g p r s功 能的g s m 模块， 可以 利用 g p r s网络进行数据通信。 其中比较流行的有法国 w a v e 公司的 w i s m o系列和西门子公司的 s系列等等。 变得非常简单、快速; 5 、 按流量计费， g p r s用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源， 用户可 以一直在线， 按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用， 没有数据流量的传 递时，用户即使挂在网上也是不收费的。 g p r s业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数 据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输， 因而 g p r s业务在某些行业上有特殊的应用。 2 . 3 g p r s组网方案 串口 无线有线 图2 . 1 g p r s组网方案 2 .4 g p r s无线数据终端 g p r s无线数据终端的的主要电子元器件有两个: a p n 专线 g p r s通信模块和微控制 器。 g p r s通信模块是为使用 g p r s服务而开发的无线通信终端。可应用到下列 系统集成中: 远程数据监测系统、 远程控制系统、自 动售货系统、 无线定位系统、 门 禁保安系统、 物质管理系统等。目 前， g p r s通信模块一般是指带有 g p r s功 能的g s m 模块， 可以 利用 g p r s网络进行数据通信。 其中比较流行的有法国 w a v e 公司的 w i s m o系列和西门子公司的 s系列等等。 变得非常简单、快速; 5 、 按流量计费， g p r s用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源， 用户可 以一直在线， 按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用， 没有数据流量的传 递时，用户即使挂在网上也是不收费的。 g p r s业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数 据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输， 因而 g p r s业务在某些行业上有特殊的应用。 2 . 3 g p r s组网方案 串口 无线有线 图2 . 1 g p r s组网方案 2 .4 g p r s无线数据终端 g p r s无线数据终端的的主要电子元器件有两个: a p n 专线 g p r s通信模块和微控制 器。 g p r s通信模块是为使用 g p r s服务而开发的无线通信终端。可应用到下列 系统集成中: 远程数据监测系统、 远程控制系统、自 动售货系统、 无线定位系统、 门 禁保安系统、 物质管理系统等。目 前， g p r s通信模块一般是指带有 g p r s功 能的g s m 模块， 可以 利用 g p r s网络进行数据通信。 其中比较流行的有法国 w a v e 公司的 w i s m o系列和西门子公司的 s系列等等。 其中 g p r s通信模块与微控制器间是通过串 行口 进行通信的， 通信速率最快 可以 达到 1 1 5 2 0 0 6 / s 。模块与控制器间的通信协议是a t 命令集，其中大部分命 令是符合协议， a t c o m m a n d s e t f o r g s m m o b i l e e q u i p m e n t ( m e ) ( g s m 0 7 . 0 7 v e r s i o n 6 . 4 . 0 r e l e a s e 1 9 9 7 ) ” 的，但也有一些是各个 g p r s通信模块制造商自 己定义的a t命令。 除了串口发送( t x ) 、 串口接收( r x ) 之外， 微控制器与 g p r s通 信模块之间还有一些硬件握手信号，如 d t r , c t s , d c d等。 当 g p r s无线数据终端成功到连接互联网后，用户终端就可以通过 r s 2 3 2 串 行接口 发送数据到微控制器，微控制器将控制 g p r s通信模块发送从r s 2 3 2 接 口 接收到的数据到远程服务器， 远程服务器将接收处理数据。反之， 远程服务器 也能发送数据到 g p r s无线数据终端，并通过 g p r s无线数据终端的 r s 2 3 2接 口 输出到用户终端，图2 . 2 是 g p r s通信模块与微控制器、s i m卡、存储器的简 单连接示意图。开发时用 p c机作为用户终端，利用 p c机的 r s 2 3 2接口向 g p r s无线数据终端发送数据。 图2 . 2 g p r s无线数据终端简单模型 本课题所选用的微控制器是 a t m e l公司开发的 a v r高速嵌入式单片机系 列中的一款， a t m e g a 1 2 8 。 它是一款基于 a v r r 工 s c的低功耗 c i io s的 8位单片 机， 通过在一个时钟周期内 执行一条指令， a t m e g a 1 2 8 可以取得接近 1 6 1 工 p s / m h z 的性能，从而使得设计人员可以在功耗和执行速度之间取得平衡，a v r核将3 2 个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起， 所有的工作寄存器都与a l u算逻单元 直接相连， 允许在一个时钟周期内执行的单条指令， 同时访问两个独立的寄存器。 这种结构提高了代码效率使 a v r得到了比普通 c i s c单片机高将近 1 0倍的性 能 2 7 。 g p r s通信模块选用 s i m c o m ( 希姆) 推出的 g s m / g p r s三频通信模块i t m 1 0 0 a 主要为语音传输、 短消息和数据业务提供无线接口。 它集成了完整的射频电路和 g s m的基带处理器，适合于开发一些 g s m / g p r s的无线应用产品。 3 嵌入式实时操作系统 3 . 1实时操作系统概念 实时操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台， 它是一段嵌入在 目标代码中的软件， 用户的其它应用程序都建立在实时操作系统之上仁 2 0 1 。 实时 操作系统将 c p u时间、中断、i / 0 、 定时器等硬件资源包装起来，为用户提供标 准的应用编程接口( a p i ) ，并根据各个线程的优先级，在不同线程之间合理分配 系统资源 8 e 有两种类型的实时操作系统:软实时操作系统和硬实时操作系统。 在软实时 操作系统中系统的宗旨 是使各个线程运行得越快越好， 并不要求限定某一线程必 须在多长时间内完成。 在硬实时操作系统中， 各线程不仅要执行无误而且要做到 准时 8 。大多数实时操作系统是二者的结合。实时操作系统的应用涵盖广泛的 领域， 而多数实时操作系统又是嵌入式的。 这意味着计算机建在系统内部， 用户 看不到有个计算机在系统里面。 工 e e e的实时 u n i x分委会认为实时操作系统应具备以下几个特点 2 1 了 : 工 .对异步事件的响应 为了能在限定事件内响应异步事件，实时操作系统需要具备中断处理能力 2 . 线程切换时间和中断延迟时间确定 3 .优先级线程 必须允许用户定义线程的优先级。 4 .抢占式调度 为了确保响应时间。 必须允许高优先级线程一旦准备好就可以马上抢占低优 先级线程的运行。 5 .内 存锁定 必须具备将程序或部分程序锁定在内存的能力， 锁定在内存的程序减少了为 获取该程序而访问盘的时间，从而确保了及时、确定的响应时间。 6 .连续文件 应提供存取盘上数据的优化方法， 使得存取数据时查找时间最少。 通常要求 把数据存储在连续文件上 7 . 同步与互斥 提供同步与协调共享数据使用的手段。 著名的实时、嵌入式操作操作系统有 w i n g r i v e r s y s t e m公司( w r s ) 的 v x w o r k s . p s o s , m e n t o r g r a p h i c s公司的 v r t x , m i c r o s f t公司支持 w i n 3 2 a p i g s m的基带处理器，适合于开发一些 g s m / g p r s的无线应用产品。 3 嵌入式实时操作系统 3 . 1实时操作系统概念 实时操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台， 它是一段嵌入在 目标代码中的软件， 用户的其它应用程序都建立在实时操作系统之上仁 2 0 1 。 实时 操作系统将 c p u时间、中断、i / 0 、 定时器等硬件资源包装起来，为用户提供标 准的应用编程接口( a p i ) ，并根据各个线程的优先级，在不同线程之间合理分配 系统资源 8 e 有两种类型的实时操作系统:软实时操作系统和硬实时操作系统。 在软实时 操作系统中系统的宗旨 是使各个线程运行得越快越好， 并不要求限定某一线程必 须在多长时间内完成。 在硬实时操作系统中， 各线程不仅要执行无误而且要做到 准时 8 。大多数实时操作系统是二者的结合。实时操作系统的应用涵盖广泛的 领域， 而多数实时操作系统又是嵌入式的。 这意味着计算机建在系统内部， 用户 看不到有个计算机在系统里面。 工 e e e的实时 u n i x分委会认为实时操作系统应具备以下几个特点 2 1 了 : 工 .对异步事件的响应 为了能在限定事件内响应异步事件，实时操作系统需要具备中断处理能力 2 . 线程切换时间和中断延迟时间确定 3 .优先级线程 必须允许用户定义线程的优先级。 4 .抢占式调度 为了确保响应时间。 必须允许高优先级线程一旦准备好就可以马上抢占低优 先级线程的运行。 5 .内 存锁定 必须具备将程序或部分程序锁定在内存的能力， 锁定在内存的程序减少了为 获取该程序而访问盘的时间，从而确保了及时、确定的响应时间。 6 .连续文件 应提供存取盘上数据的优化方法， 使得存取数据时查找时间最少。 通常要求 把数据存储在连续文件上 7 . 同步与互斥 提供同步与协调共享数据使用的手段。 著名的实时、嵌入式操作操作系统有 w i n g r i v e r s y s t e m公司( w r s ) 的 v x w o r k s . p s o s , m e n t o r g r a p h i c s公司的 v r t x , m i c r o s f t公司支持 w i n 3 2 a p i g s m的基带处理器，适合于开发一些 g s m / g p r s的无线应用产品。 3 嵌入式实时操作系统 3 . 1实时操作系统概念 实时操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台， 它是一段嵌入在 目标代码中的软件， 用户的其它应用程序都建立在实时操作系统之上仁 2 0 1 。 实时 操作系统将 c p u时间、中断、i / 0 、 定时器等硬件资源包装起来，为用户提供标 准的应用编程接口( a p i ) ，并根据各个线程的优先级，在不同线程之间合理分配 系统资源 8 e 有两种类型的实时操作系统:软实时操作系统和硬实时操作系统。 在软实时 操作系统中系统的宗旨 是使各个线程运行得越快越好， 并不要求限定某一线程必 须在多长时间内完成。 在硬实时操作系统中， 各线程不仅要执行无误而且要做到 准时 8 。大多数实时操作系统是二者的结合。实时操作系统的应用涵盖广泛的 领域， 而多数实时操作系统又是嵌入式的。 这意味着计算机建在系统内部， 用户 看不到有个计算机在系统里面。 工 e e e的实时 u n i x分委会认为实时操作系统应具备以下几个特点 2 1 了 : 工 .对异步事件的响应 为了能在限定事件内响应异步事件，实时操作系统需要具备中断处理能力 2 . 线程切换时间和中断延迟时间确定 3 .优先级线程 必须允许用户定义线程的优先级。 4 .抢占式调度 为了确保响应时间。 必须允许高优先级线程一旦准备好就可以马上抢占低优 先级线程的运行。 5 .内 存锁定 必须具备将程序或部分程序锁定在内存的能力， 锁定在内存的程序减少了为 获取该程序而访问盘的时间，从而确保了及时、确定的响应时间。 6 .连续文件 应提供存取盘上数据的优化方法， 使得存取数据时查找时间最少。 通常要求 把数据存储在连续文件上 7 . 同步与互斥 提供同步与协调共享数据使用的手段。 著名的实时、嵌入式操作操作系统有 w i n g r i v e r s y s t e m公司( w r s ) 的 v x w o r k s . p s o s , m e n t o r g r a p h i c s公司的 v r t x , m i c r o s f t公司支持 w i n 3 2 a p i 编程接口的 w i n d o w s c e , m i c r o w a r e公司的 o s - 9 , 3 c o m公司的 p a l m o s . 3 . 2 n u t / o s实时操作系统 本课题研究的 g p r s无线数据终端中， 软件设计引入了 n u t / o s实时操作系 统的支持。n u t / o s是 e t h e r n u t项目组针对 e t h e r n u t开发板设计、开发的一 套实时、 多线程的嵌入式操作系统， 其原代码是完全公开的， 免费的。 针对 g p r s 无线数据终端的硬件特点， 本课题进行了 一些修改和拓展， 成功地在 a t m e g a 1 2 8 微控制器上移植了 n u t / o s . n u t / o s具有以下几个特点: 1 .可固化性: n u t / o s是为嵌入式应用设计的，这就意味着，只要具备合适 的系统软件工具， 实际上就可以将 n u t