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嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 摘要 嵌入式系统技术是近几年来发展较陕的科新兴技术，嵌入式系统产品已经被广泛地应用 在科技、工业、通信、生活等各个 页域。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统将 成为通信和消费类产品的共同发展方向。目前，嵌入式处理器 嵌入式操作系统的发展日臻完 善，结合成熟的网络技术，嵌入式产品的网络似陶$ 沩嵌入式技术的发展趋势。p p p o e 是宽带 接 方式中广泛应用的技术，为了实现嵌入式多媒体终端的宽带接入，本文提出了基于嵌入式 系统p p p o e 仂议的开发，该课题的研究具有一定的实用价值。 本文首先介绍嵌 式系统、嵌 式实时操作系统口s 0 6 的棍剩既铜姐体系结构，研究了基于 以太网的p f 眦协议，详细说明了在嵌入式终端开发平台_ 手 蟠o s 实时操作系统e j 斯予次件开发 的过程，然后给出开发p p p o e 的总体设计，并细致地阐述了每个模块的具体设计和实珊淝。 本文打陂陵统盼1 缦 寸_ 力_ 去，采用新型设汁方案，提高了通信效率，开旋骶印础缓解了i p 地 址短缺的现状，节约了网络资源，并具有很高的实用价值。文中最后给出p p p o e 的个典型应 用实_ 伊! f 1 p 可视电话，# f f p p o e 应用在i p 可视电话中，实现了嵌入式多媒体终端的宽带接入。 关陡字：嵌入式系统实时操作系统，p 9 呱p p b 出i p 可视电话 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 a b s l 限a ( 丁 t h ee m b e d d e ds y s t e mi sap o t e n t i a lt e c h n o l o g y d e v e l o p i n gf a s t l y t h ee m b e d d e d p r o d u c t i o n sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i l e d ss u c ha sr e s e a r c h ，i n d u s t r y ， c o m m u n i c a t i o n ，l i f e sa n d s oo n n o w , t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m s ，e m b e d d e d p r o c e s s o r sa r eb e c o m i n gm a t u r e t h ee m b e d d e dp r o d u c t i o nw i l ld e v e l o pt o g e t h e rw i t h i n t e r n e t p f p o ei st h em a i np r o t o c o lo fb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g y i no r d e rt om a k e t h ee m b e d d e ds y s t e me c - a m m i c a t e dt h r o u g hb r o a d b a n da c c e s sm o d e w er e s e a r c hp p r ) e p r o t o c o li ne m b e d d e ds y s t e i m i t sap r a c t i c a lp r o j e c t i nt h i sp a p e r ，if i r s t l yi n t r o d u c et h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h ee m b e d d e ds y s t e r t h er e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mp s o sa n dr e s e a c ht h ep p p o ep r o t o c o l ，a n dt h e nie x p l a i n t h ew h o l ed e s i g na n di m p l e m e n ti ne m b e d d e dp l a t f o r 1 t h i sr e s e a r c hc a ns o l v et h e s h o r t a g eo fi pa d d r e s s ，s a v et h er e s o u r c e i th a sg r e a tp r a c t i l i t y f i n a l l y ，a p p l y i n g p p p o et oi pv i d e o p h o n er e a l i z e st h ee m b e d d e ds y s t e mc c m m n i c a t i o ni nb r o a d b a n da c c e s s m o d e k e yw o r d s ：n r b e d d e ds y s t e m , r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e 毗p s o s ，p p p o e ，i pv i d e o p h o n e r 7 7 6 7 1 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞邀堡三左堂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谢意。 学位论文作者签名：签字目期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞丝垄王太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。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，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀垄王 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：每冲次 签字日期：丛年6 月午日 导师签名： 签字日期：$ 年，月笋日 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 第章绪论 随着数字信且技术的发展，人类社会已经进入了后p c 时代，其中嵌 式技术局丘n 年来发 展最为迅猛、最受人关注的一门新兴技术。6 工业赫2 控制、通讯、仪器仪表、汽车、航空 航天、军事装备等领域到手表、电话、手机、新型的电皈锅、冰箱等生活用品，无处不体现了 嵌 式毖术的身影。目前嵌 式计算机在数量e 远远扔立了各种娴计算机，p c 的各种输入输 出和外部设备均由嵌入式处理器控制，每台p c 的外部设备中包含了5 - 1 吣 式激处理器。根 据美国嵌入式系统专业杂志删道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌 式系统市场需求量具有比 p c 市场大 o 至1 0 0 倍的商机。1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式系统会议e ，与会专家致认为， 2 l 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为 类生产带来革命l 生的发展，实现“p c se v e r y h e r e ” 的生活梦想。据统计，嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 刀亿美元。 目前以_ 信息家电为代表的互联网时代眈入式产品，刁淑为嵌入式市场展现了美好前景，注 入了新的生命；同时也对鼠入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战，这主要孢括：支持 日趋增长的功能密：度、灵活的网络联接、轻侵晦防；啦朔和多媒体的信息皮b 理。嵌入式系统的 多媒体化和网络化随着多媒体技术的发展在行啪i 进步，视频、音勃h 言息的处理水平越来越高， 为嵌 式系统的多媒体化仓出告了良好的条件，嵌入式系统的多媒体愀成现实。 湖蜮 式分布女睫结构和应用上网需求，面向2 1 世细拇嵌入式系统要稍配备标准的一 科回l 多种网绍通信接口。针对夕陪圈茨网要求，嵌入设名必需配葡刮言接口，相应需要t c p i p ( 传 输控制协酣网间协议) 协 ，义簇软件支持。嵌入式系统在网络环境中的应用已是不可抗拒的潮流， 并将占领网络接入设备的主导地位。在开发嵌入式系统时，为了使得嵌入式系统与网络取得通 信，就需要网络协议栈的支持：为了使得嵌入式系统与不同的外郎网络设备通信，就需要开发 目应的网缆撇，进彳亍支持。毗，为j i 颐应目1 i 铂勺芳搌潮流，我f f 提出比糯蛳开究，桫试 系统的多嫡唰口比和网络化将成为硼葫磷溯的有力证据。 在当今盼哇界e 存在j 瞢公共电话网络、有线审视( c a r ) 网络和计算机网络i 塞择三个为j 勺i 蘑 信网络。公共电话网络主要用于传简舌音信息：有线d 自视网络一瑚殳是单向的，有线电视台用其 向使用该网络收看电视节目的家庭传输电i 1 9 皓号( 视频信勖；而计算机网络主要用于1 专输数 据。2 0 世纪勺9 0 年代后期以来，i n t e m e t 的应用呈现出了爆炸性的增长势头。但是在大多数睛 况下，i n te f | 【l e t 的数据信息却是在公共电话网络e 传输的。多媒体技术的发展，又把视频患息 的传输任务交到了i n t e r n e t 网络上。i n t e m e t 电话( i p 电固技术的出现为消费者提供了种 接受电话服务的瓤选择，但是又给席舛葫斟韩黼的i n t e r n e t 网绍增加了传输话音慝息的任 务。美鼬君信息、话音信息和j 1 9 濒信戡回白钡有的电后网络上任揄的时候，现有田畛各的带宽 出现了无法满足应用需求的状况，于是近年来 们提出了多项过瘦生的宽带接入网技术。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 为了实现用户摇i 入网的数字化、宽带化，提：高用户上网速度，光纤到户( f r h ) 是用户网 今后发展的必然方向，但由于兆乡佣户网的成本过高，在冷后的十几年甚至n 寸年内大多数用 户刚聘将鲤睦卖使用 有酐崩稚戋环路。壶滞接入技才巧托| 己线接入和珲i 线接入，确线接入力程日光纤 接 网将是! 嗽发展趋势，但是光纤全部替代铜缆需要巨大的投资和较长的建设周期，因此， 在现阶段，应当充分利用现有的巨大电缆资源，利用电缆调制新技术，继续发挥锕缆自作用， 来霏螨足 们对不断增长的宽带业务的迫切需求。结合这种需要，比较理想的接入方式目有 非对粥蝴户线( 删接入和基于c a b l em 0 d e f n ( 电缆调制解诃器) 技术的混合光纤同轴网 接 p 孵中力噪。世界各国的接入网建设实践证明，a d s i 接入是在实1 光纤至炉之前发展接入网 的首选。 a d s l m 含义为非对称数字用户线系统，是- 畅勘由塘有普通电话线为家庭、办公室提供宽 带数据传输服务的技术。具有根务质量呆证、永远在线、不需另付电话费等明显的优势。它的 下行速率商迭bm b i t s ，上行速率也有1 加o i t s 。由于现有的市 舌铜线网的用户数目十分庞大， 而髑l 能对现有的市话铜线进行充分断u 用。对于提供电信：| j 务的公司来说，f 断研- 用再为更 换线路投入天文数字的资金，即可在电讯i 公司与最终用户间架起座商商厦道，有帮幽护了投 资者矫嗌。因此是当前国内宽带市暖巨耳竞争力的接 方式。由于a d s 晖日踢若p 搬是专为 视像节目点播而设计的具有刁对称l 生和山j 惠的下行通道，随着i n t e r n e t 的急速发展a d s l 作为 种高速接 i n t e r n e t 的技术更具有生命九它使在l w 有i n t e r n e t 网瞄氍廷劲新朝务成为可 能。随着a d s 嶙脚步躇盯l 应辟j ，a d s l 接入将逐步提供点对点的远耐，远程教学，远 地矾删等服务。因此要实现嵌入式多躁钵终崭古娜i 序通信，就必须开匆，p p b e 协议。 p p p o 喇曼箝是p o i n tt op o i n tp r o t o c o lo v e re t h e m e t ，这个协议就是为了满足越日硅自多 的宽带上网设备乖寝嗍陕的网络之间的通诩而塌新韦情激的柄椎。对于塌终用户来说刁濡 要用户了解比铰深的局域网技术只需要当作普通拨号上网就可以了，对于服务商来说在现有局 域网基础e 不需要花费巨资来做大面积改造，设置i p 士龇雌邦j 毫胃户等来支持专线方式。这就使 得p p p o e 在宽带接 眼务中比其他协议更更甭p 优势，因此逐渐成为宽带上网的最佳选择。在实 际应用上，p p p o e 干惘以太网络的工作机理，将 d s i ，m o d e m ( a d s l 调带l 懈调器) 的i o b a s e - - t ( 星 型网络) 接口与内部以太网络互联，在髑lm 0 d e i i i 中采用盱c l 船3 的际剖粥勺矗赢发出 的) p i 准进伺i c 例a p ( 逻辑链路控帛忏网接 协议) 封装后，通过连结两端的p v c ( 永久虚拟 电路) 在a d s lm o d e m 与网络侧的宽带接 服务器之间建立连接，实卿的动态接入。p p p 。e 接 入f 佣在网络坝, 帅m s lm 0 d 锄之间的- - 条单v c 就可以完成以太网络上多用户的共同接入，实用 方便，实际组网方式也很：简单，大j 邵烈氐了网络的复杂程度。 为了能够往稍：开发的嵌 式多媒体终端应用在更多的接入方式中( j 1 3 a d s l ) ，就要在嵌入 式多媒体终端实现p p p o e 接入认证协议，通j 立怦b e 协泌岗附搬i s p ( 因特网服务提偌# 商) 并 取得通信。针对目前的发展趋势和用户需求，丌发了p p p o 瞎户端软件，使开发的嵌入式多媒 体终端能够舒d s i 接入方式中提供良好腑讹丽吾翻务。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 课题最终要在嵌入式多媒体终端实现p p p o b 协议，因此，论文分以下月卜方面进行： 第章：绪论。分析了课题暗升缓荫景。 第二章：硼究嵌 式系统及其体系结构，并介绍了嵌入式系统的广泛应用及发展前景。研 究嵌入式系统中的操作系统和实时操作系统，并对嵌 式终端所使用的p s o s 实 时操作系缔越行了分析。 第三章：研究p p p o e _ 防议、p p p ( 点到点协议) 等相关防泌。 第四章：给出p p p o e 总体翻十，并搭建了系统开发环境。 第五章：详细阐述各个陵映的设 十和实觋流程。 第六章：给出p p p o e 在嵌入式多媒体终端 i p 可视电话的个应用实例。概述了i p 可视 电话终端的设计，并给出p p p o e 在其e 的应用。 第七章：全克总结。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 随着i t ( 信勘技术的飞速发展，特日惺互联网自勺i 致蓉耆汲，3 c ( 斗算饥、通讯消费电子) 合的自魄，数字比时代已经粕临。嵌入式系统是数字晰弋的一大主流产品，世界各国在此 领吲习干始了游圆8 狰，以争部萄淞导地位。嵌入式系统是数导化产品的揍心，为适应嵌入式 分布处理结陶和堕拥上网膏季舻，面向2 1 世纪的嵌 式系统要捆e 各雠的刊喊多种f 潞通 信接口。针对外部互联网要求，嵌入设备断焉配箭西信接口，相应需要r c p i p 协议族软件支持。 嵌入式系统8 是以应用为中心，e 捌算 丌技术为基础，并目敬硬件可葛涝，适用于睦拥系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严晦爨荥的专用计算饥系统。占般由嵌 式礅处理 器、外围暖件设备、嵌入式操l 饧；统e i 及用户的应甩瞒四个船雠目成，用于实现对其他设 备0 、监视或管理等功能。 简单地说，嵌入式系统是一个集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件 代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体 系。嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。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e p r o m ( 可擦可编程只读存储器) 、 e e p r o m ( 电擦写可编程只读存储器) 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软 件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控 制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 前面主要对嵌 式系统有了全面认识，下面翰必对嵌入式系斑愀系统及本开旋终 端所使用的d s 0 6 系绩深入醐究。 嵌入式操作系统是种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 软件系绱极为重要的组成爵盼，通常包括与硬件髓关的宦层驱动软件、系统内核、设备驱动 接口、通信协议、图形界面、标准化浏览2 等。嵌入式萌作系统具有通用操作系统的基本睛荫， 如能眵葡铡蓼默蚓 越复杂的系统资源：能够托蝌虚拟化，使得开发 、员从繁哪鸲匠晡l 序 移植襁助5 中解脱出来；能够提供唪函数、驱动睹狞、工具集 及应甩程序。与通用操作系统 相比跷嵌入式操作系统在系统实时高效眭、硬件的相关商勖牲、软件固态化e l 及应用的专用 性等方面具有较为突出自年待诮。嵌入式澡怍系统有功能丰富和稳定瞄群争p 点，每个具体的嵌 式系绩渚隆有自己的独特的地方，在嵌入式系统中使用摒晰i 系统，能够列嵌 式系统的开发 产生殴大f 饼匿办作用。 随眷耐_ 于嵌入式操作系统需求的不断扩大，各种各样的嵌入式荣怍系统不断孕育而生目 前应用范围比较广泛的嵌 式操作系统有以阿蝣中 1 ) m i c r o s o f tw i n d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是个高彭滓鞠多平台操作系统。它是从整体e 为有限资源的平台 设计的多续程、完整嘟冼权、多任务的操作系统。它的楱舅弭心十允 年，萌从掌e 电脑到专用 的工业控制器的用户设备进行定制。 2 ) p s 。s p s 。s 是个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处哩器荧计，提供个完全多 任务环境，在定制的或是舔i i ，化的硬件e 提供高性能和高可靠性，可e 航眵踢谍罐敝舴系统的 功能和内存需求按每个| 立用的需要定制成专门的系统。本课题的开发就是基于i 茁伺禁怍系统下 避绗饷，下丈将对p s o s 操作系缅鞫丑介哇召。 3 ) v x w o r k s v x w o r k s 是个嵌入式实时操作系统，采用微内核的结构，：县雨支撒哆里器多，网绍协议 丰富，兼容性和裁减性好等特点，同时具有程序动态连接和下载的功能。它具存叻能强大的应 用程序接口( a p i ) ，但大多数的v x w o r k sa p i 是专用的，使用的是和u n i x 不兼容的环境。 4 ) p a l mo s p a l mo s 是3 c 锄公司的产品，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，开发商可以根据需要自己开发所需要的应用程序。它拥有个提供基本任务管理的 抢占式的瓣管理内核，萄锑裕面弓队了剧蛔广 牛着虢。 5 )l i r t u x l i n u ) 【是套以i j n i x 为基咄发展而成的操作系统。它实现了真正的多任务、多用户环境。 它对硬件配置的要求相剀氐而目可以划葡艮多种处理器芯片。在嵌入式系统直用方面，l i n u x 小的可以放在张软盘e 运行，为实时系统而开发的变f 栅- l i n u x ，可以t 乜i n u x 支持硬实时 任务。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 通过e 一节的介绍，可以发l w _ 个特点，很多嵌入式系统昔陧实时系统。而目对于需要使 用嵌 式系统的备仲应用，普遍对实时性兵存_ 定的要求，特别是应用萄厦信领域租腔制领域 内。 实时陆日龄雠限定时间内执行完口1 淀的功能，并对外部的异步事件敝出反应的能力。 e 魄恁葫撒【应用需要嵌入式钦阵能及时、新亍、协测椒于夕陪蹲种做出正晚蛳a 应，并自瞽有效 地利用系统资源，避免竞争资源造成系统岛葑贵。实时操作系统的主要任务是对事件进行实时处 理。虽然事伴可青懿砑勰口的时刻到达，但是软件在事传定抽寸育韶e 严洛的时限内做出响应 ( 系统响匣时间) ，即使是在尖峰负荷下，也是姐此。另外，实时操作系统的重要特点是具繇 统定眭，即系统自亍| i 勃甜帱嘲和最坏r 欤做出精确吲占计。实时操作系统自寸首要 任务是调度切可 用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率， 其重要特点是满足对时间的限制和要求。 实时阱系统是能够鼢实际应甩环嘲秘球对内杨哳讨鞴橱己置的操作系统。它的 组成根据其实际的应甩领喊的不同而有所不同。但般部包括以下几个重要组成部分：实时内 核、实时网络组件、文件系统和图形接口等。 1 实时内核 实时内核般都是多任务的。它主要实现i 王务管理、定时器管理、存锆器管理、任务恸匿 信与同步、中断管理等功能。 2 实时网绍组件 实时网络组件般都努见了链路层的a r p 和r a r p 协议，网绍层的i p 协议，传输层的t c p 和l d p 协议，应用层的自哺坝晰撕咎摘翻的需要实现相应的协议。这些网络组件作为雠系 统内核的个e 层功能引移蝴层提供服务，它本身是可；黠e 的，目的是尽可能少地占有系 统资源。 3 文懒 非常简单的嵌 式匣用中可以不需要文f 等系统的支持，但对于比较复杂的文件操作应用来 说，文件系统是断北l 的。它也是可；弦目驹。 4 图形接口 在p d a 等实际应用领域中，需要友善的用户界面。图臌口提供了生威应用程序图形界面 i ) 的功能接口，为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入。它同样是可剪裁的。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 p s o s m l 是吟专门为嵌入式微女鹕骤设计和开发的够戥比、高谗鞠够强艨作系统。它提 供了基于标准化开放系统的完整的多任务环境，f f o 女n ：对网络文件系统的支持。p s 。s 的设计宗 旨是为了实珊高效、可靠、易于使用的嵌入式实时软件，以支持用户自己商引崔或商品化的硬 件系统。p s o s 的每1 掰捕赜皖垒“自包含”的，这f 怖悌0 硒研发剖憾常釉用嗍寺殊要 求列操作系统的功能和内存进行裁剪和配制。它的这种设计，使得开发 员对简单的独立设备 及复杂的可客错多处理柳系统都可以灵湔a 置。 p s 0 s 是可剪裁的实时操作系统。其系统结构可以分为内核层、系统服务层、用户层。 内核层 p s o s 内核负责任务的管理与调度、任务间通信、内存管理、实时时钟管理、中断眼务；可 e 亏呔生成或删除任务、内存区、消鼠队列、信号灯等系统对象；实现了基于优先级的、选择 可抢占的任务调度算法，并提供了可j 是的时间片抡转调度。p s o sk e r n e l 还提供了任9 间j 蓖信 机制及同步、互斥手段，如消息、信号灯、事件、异步信号等。p s o s 操作系统舀既e r n e l 层中将 与具体硬件有关的操作畋芷_ 个徽中，对系统眼务层以上屏蔽了具体的硬伴恃陛，从而使得 p s o s 彳r 方厦地孙支持i n t e l8 0 x 8 6 系歹悼疑岐粥m 。6 8 g ( 系列，并目在系统服务层e 对不i 司应用 系统不同用户提供瞬倒陌煳件如刊a + 、p h i 嘴。 系统服务层 因笛系劾麟层刨粼”刚聍jp h i l e + 笔鲴件。p m + 多j 觅了完雠于i 镕溯n c p i p 协 议集，并具有良好的实时性能，网绍鲴l 件内中断屏蔽时间不了- 于内核模块中断屏蔽时间。p r p c 4 - 提供了远陧讽用库，j 漪用户建芷_ 叫吲叼铆拉用系统。肌l 聃黾供了文件系崭龄野咧存储 设备的管理。p r 印c 十提供了标准的c ，c + 斗库，支持用户使用c ，c + + 语言编写应用程序。由t - p s o s 内核屏蔽了具体的科 特性，因比p s o s 系统服务层的软组隆副i 谁的、与硬件无关的。这意 懒各删钵，冠b 娜o x 8 6 莉啦醍脚) 。( 莉0 ，期踟r 务劂目懒狮蝴、统 的，走捌沙了软槲工作，增强了软带玎移檀陛。每个嬲件都包含一系列的系统 固用。 对用户而言，这些彩魑f 习月j 就象_ 个俺入自勺c 函数，然而，鲥f 去口是用户j 拄入p s 。6 内核的唯 手段。 用户层 用户层指的是用户编写的应用程序，它们是以任务的形式出珊的。任务通过进行系统调用 而进 p s 0 6 内核，并为p s o s 内核所管理手口 周良。 整叶磷晒体系缔铲如下图： 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 车甲甲 罐昌 图1 ：d s 晒体系结构 在实时操作系统中最关键的部分是实时多任务内核。它主要实现任务管理、定时器管理、 存储器菩理、任务间通信与同步、中断管理等功能。如何婀- 个效率高，体积小，移植功能 强大，易于定制的实时操作系统内核是开发嵌入式系统的关踺问题。个多任务的嵌入式操作 系统，其趺i ：都分就是其饪务调度机制，以及任矧邵霞信柳制，它还涉及到系统实时性自瑚问 题，理解多任务系统的任务调度对多任务开发十分重要，下面葩誊眚p s o s 系统粕求仑_ 一r f 任务 调度l i 制。 首先介绍p s 0 6 内核涉及的基本概念： 1 ) 任务t a s k 在实时躁作系统中，任务是参与资源竞争( 如c p l lm e m r y 、i od e v i c e s 销的基本单位。 p s o s 为每个任务构造了个虚f ! ：i 的、隔离的环境，从而在概念巴，个f 壬务与另个任务之间 可以相互并行、独立地执彳亍。任务与瞅间自嗷、任务之间撇舐髟苗过i 新砀弼b 调用 ( 硝晴些胤兄l 下角敞扛s r ) 进入西o sk e r n e l ，由p s i 笛k e r n e l 粼。 2 ) 优先级p r i o r i t y 优先级在实时嵌入式系统中是个十分重要自锵驻念，每个任务都有何圮先级。p s o s 系统 蜘_ 2 5 5 劫挠先船，蝴最f 氐，2 5 5 级最赢。级专为i 雌住绷惰，2 4 0 乙2 5 5 级为着虢所用。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 优先级也是实时系峁搠亍1 骜酾威彭下可缺少的因砉垂之一。p s 0 6 系统中，当高优先级任务来到时 将 仓乩饼- 硎氐自争臼务，愀时陛。萄舒耐，任务( 刨翻勘“壬射唰格暾可嘶恿过t s e t p r i 系统调用改变。 3 ) 任务状态田砸 p 9 0 s 下的任务骓种可自洲渊盱这三f m 态之一。只幸扣蘑过任务橱或其糙妊务、 i s 职d p s 0 s 内核所作的系统调用才育昆翅目壬务状态。从宏观角度看，叶多任务应用通过一系 列至, h s o s 的系统调用迫值筛0 6 内核改变受影响任务而砂运行吟任务至啦彰亍另任务向前发 展的。也可i 塞样说，p s o s 系统是个基于高优先级、状态迁移的实时嵌入式系统。对于n o s o s k e r n e l ，任务在自恻茹澎涮掰j 除后是不存在的。被自陡的任务在能嘶彰亍靓必须敞启动。一旦 启动后，个f 壬知置常处于：下面三个c i 奁之一： r e a d y 就绪 r u n n i n g ( e x e c u t i n g ) 运行 b l o c k e d 阻塞 4 ) 任务控韦咧h 疆 寸、f 壬务由它昕撕啊国宁叶码、它所要处理的数据以及它的任务控带帙组成。 弱针弋 码和数据集组成了该任务的士也址空间，而任务控静陕记录该任务的活动p 口i 蠡。在鞋；0 s 中，任务 控韦蜘角 s o s 内核龟西鼢的个系统姑冒结构，它包含t p s o sk e r n e l 调良萌瓠翳e 务 所需盼切信息，如：任务名、优先级、剩精搁片数、当前哿耐孕日漶等。 5 ) 对象、对象名及i d 号 圆。6k e r n e l 是卟面向对缘的操作系统内核，困0 6 系统中对象刨舌任务、m e r r y 、r e g i o n s 、 m e m o r yp a r t i t i o n s 、消息队列和信号j ：丁等。对象名是由用户定义( 4 位a s c i i 字固的，并且在 该对象创建时作为系统调用o b j _ c l 砸a t e 的个入口参数传给p s 。6k e r n e l 。p s o sk e r n e l 反过 来赋矛浏象个唯一的3 2 位i d 号。这个曲号是对用户透明的，用户的切操作都是通过它来 实现的。 6 ) 蝴l o d e w o r d 每个良科辫_ _ 伽ew o r d ，甩葙篼唧渡决巍姑蛹亍环境。主要有以下四个参数： p r e e m p t i o ne n a b l e d d i s a b l e d r o u n d r o b i ng r l a b l e d d i s a b l e d i n t e r r u p t se n a b l e d d i s a b l e d s rf 仉a b l e d d i s a b l e d 每个任务有吟j 崮勘s c a t c h 建立起来的异步信号服务例程a s r 。异步信号类以于软件中 断。当a s 啦为1 时a s c a t c h 所指向的任务将会被改变执a 亍足g 径，t 喇t a s r ，再返回原执行点。 7 ) 任务调度 在多任务系统中，主存中有多个任务每个任务或者正在使用卟c f li ，或者正在等待一 个条件得蛰瞒足来获得啊 ，而台理地让这些任务在不同的时亥【彤御日罾瞒足系统的目 标正黾良瓤期劲蔼揪的工作。费f f 丽以想象任务调度矗 个系统中盼佑用襁b 扭。在 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 p s o s 系统中，采甩优先级+ 时间片的调度方式。 2 4 3t c p i p 协议栈 西0 6 为用户提供了网络组件砌，i 盹旧溅。西0 6 网络揪栈结l 勾如图2 ，包吼盹争议、a r p 协议、i 和i q 科加义的实珊，提供支持用户娄踹嘣叻羟姐口传输并提供了标准的s o c k e t 接口，为a g p l i c a t i o n 的实眵! 提供了方厨拖献翱境。 它向目是供脏朔秸蝻嗍新呈的s o c k e t 接口，向下定义了寸屿网络接口压蓼登丑搬口。 n i ( 网络接口) p s o s 的网络仂议物蘑过叶用户提供的称为网络接口的软件访问网络。在网绍仂谚喊 和n i 之间的接口是标准的，和网络介质及网络拓扑无关。这使得网络协议栈脱离网络物理特 性，每 圭接到隗射航溅的接点都直 麴擀n i 。在网络协测戋中数妊靥：f 言的基本单呒是 燃，发送数曜韩对，网络蝴栈把数p 艳 交给n i ，n i 将数矧删邂时靛的地址。 i 脚层 i p 是何商磐翔可b 唪议，主要封渤! 责在主机间寻址并为数掉抱设定路由，在交挺鞋搦口 它并不建立翎毒因为它不保证正确传递，另一方面，数据在被收到时，i p 不需要收到确认， 所以，它是j 询靠的。i p 层接收由更1 氐层( 网络接口层例如眈赶网设笤瓣娇呈序) 发来的够啪， 并把 裁嘶抱弱羞至i 匣高民一1 p 韵肼层；相反，i p 层也帅鳓卿层按防籼嗍掘包传 送到更f 氏层。 a r p 是h 曲濞渐协议，地址啐| ! 斤 燃郴啪自够射为硬件幽e 的i 丑程。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 地b 嘲布唰撇a r p 用于获得在阿物理网络中的主眦惭郾啪址。要庄网络b 氆信，主杌就凶 须j 1 日i 酋对方主杌舶硬件地吐。 s o c k e t 层 亳尚e 层是网锺揪j 髭目件的叫噌商陧接口。相务间通j 虫苗制羞和暖斟妇拘蓟印导自唇西j j 套 接口完耐l 的。网络仂哂嚏髓列寺三牙啊廷型能睡接口：崭注谳口、彰d 酣艮套接口及原始套接口。 流式套接口使用砌勒议定义了种可靠的面撇的服务，实现了无差锚无重复的j 防手数据 传输。数瓣艮皴口使用u d p 定义了种嵇姑蛐镅务，数昂戡搁互独立的报文瑚亍传输， 是无序的，并目不保证可靠、无差错。原始套接口允i 积寸f 氐层协议血叫，、i 例曜蝴问，主要 用于新的网络协议实现的澳啦式等。 以e 较为详细地分析和阐述了嵌入式实时曝怍系统p s l 0 s 的系统结构、内核机制、常用接口 函数以及它的网络协议栈使我们了解到该系统的渚方面的优点，这也正是本文选择此系统作 为研发的原因。 嵌入式系统种类繁多、应用数量大、分布范围广，引1 乏应用于工业、农业、商业、金融、 科研、国防、医疗、运输等一系列国民经济翎嘲冲。下面将习黻 式系统应用的主要领域及 其相关的设备。 ( i ) 建筑业 勘探和定位_ 没备、建筑设备； ( 2 ) 运辖址 飞 几、火车、汽车、轮船、雷达系统、燃料设施、信号系统、交i 恿控制系统、售票系统、 停车彭瘫隧b 系统、出相车里 量十价粮 ( 3 ) 楼宇燃 供电系统( 供电、监狈9 、控制、保护) 、备用照明及发电机、消防隆制系统、供热及通反i 系 统、电梯、安全系统： ( 4 ) 通信 商彰蟛咖、移动匐舌、嘭物虢、卫勤始球定、刿影馓设备( 如l2 5 设备、删设备冬势； ( 5 ) 办公设施 电话系统传真机、复印饥、摄像饥和录像机； ( 6 ) 银行、金融和商业 自动柜员机、信用卡系统、p o s 系统( 包括扫描系缔： 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 ( 7 ) 圆亨设备 心脏起搏器、步行监 赡卷病人信息及监繇统、药剂控帛螺瘴药系统、x 射线设备、心 电图及脑电图设备、电磁成像系统旧1 ) ； ( 8 ) 测试、嗡见及诊断系统 能源测量器、环境监测设备： ( 9 ) 信息家电 冰箱、空调的网络化、智能化腔制； 嵌 式系统最阮鼢用以控制设备的计算机，通常是奁、设备内部，为了控制设备行为或是 嵌 在其它系统中的群专用软件和硬件。它一旦启动就执行某特定的程序，中间无需 工 干预，直蛰陕胡为止。但通常要求具有实时啦能力，般不要求复杂自勺用户界面，甚至不要 求支持键盘、显示器、串行口、硬盘等外e 习妾口，也不需用户进 亍_ 二次开发。它被广泛地用于 仪器仪表、工j 旌制设备、电梯、程强薮叠魁几微波设备、交i 蓖灯、家用电器等设备中。 近年来，随着黼技术的飞速发展，嵌入式系统具有了新的内涵，同时萌生了许多形态各 异的接入般各，如手持电脑、可e 网的无线移动手机、机顶盒、家庭网关、可上网的电规机。 可匕网的车载盒、智能家用电器等等。嵌入式系统在工_ 啪器 、医药设备、电话系统、卫星、 飞行系纷名淘啦e 扮演了个更为重要的角色。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统已成为通信和消费类产品的共同发展方 向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术，在个 领域，嵌入式产品将主要作为个人 的移动数据处理和通信工具。在自动控制领域，嵌入式系统不仅用于a t m 机、自动售货机、工 业腔制等专用设备，还同笏熵醋设备、g p s 相络色技柯皤泓向嵌入式生产厂确提出了 新的挑战，预计嵌入式系统向以下八个方面发展： 1 嵌入式开发是个系峁撕曼要求嵌入式系统厂商在提供嵌入式软硬件系统的同时，还要 提鹪驮的硬件开发工具和软件色技持。 2 雕缸删必燃势，隧蕾区特网接椭成讯带宽自匀提高，网络已茳入酱蘑家庭，信 息家电悔运懒未来的主宰，未来的嵌入式设备为了适应网络的要求，必然要求硬件提 供各种网络通信接1 ：3 。新_ 干e 的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持k p i 晰 议，有的还支持i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b ij 研i m 铮蘑信接口中的种或几种，同时也提供 相应晰匿信组网协议软f 牛和物理层驱动软件。 、 3 要求芯片设 十厂商在芯片集成厦多的功能。为了配合网络化的发展，要求芯片设计厂商采 用更强大的嵌 式处哩器，同时增强功能凄口、扩展副戋类型，加强对多媒嫩图形等的 处理，逐步实施片匕系统( s o c ) 自嘴驻含。 4 精简系统内核、算法，降低功耗及软硬阿诫本。 1 2 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 5 提供友好的多媒体 相界面。 由l 比可见。嵌入式系统正在被广泛应用在军事、科技、工业、生活等各个领域，随着网络 技术的发展，嵌 式系统正；在：萄靳走向通信领域，并与不同咖苗信设备通信接口相结合。因此 在嵌 式系统开发网绍仂议，将往年导嵌入式终端设备适应更多的网络需求。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 第三章p p p o e 及相关协议的研究 随着宽带网络技术的不断发展，卧d ) s l 、c a b l e m 。d e m 和以太网为主的几种主流宽带挠入技 术的虚用已开展的如火如荼。同时又绐：各大网络运营商们带来了科种困惑，无论使用哪科接入 拱术，剥- 于他竹而言司瑚帝同求的是女酢撒的管理用户，如伺从网络的投资中收取回报，因 此对于各种宽带接入技术的收费的问题就变得更加敏感。在传统的以太网模型中，我们是不存 在所谓的用户计费的概念，要么用户能设置获取i p 地址匕网，要么用户就无法e 网。i e r f 的 工程师们在秉承窄带拨号e 网的运营思路( 使用n s 设备终结用户的p p 唠据包) ，制定出了在 以太网断拓柳数据包的仂议( p o i n tt op o i n tp r o t o c o lo v e re t h e r n e t ) ，这竹慢础出台 后，各网络设备釉苛每也相继推出自己品牌的宽带接入日务器( b a s ) ，它不仅能支掉) p f ) 0 e 协 议数据 最文的终结，而目还自器粥其毛j 够仂议。 p p p o e “仂移岛默了在- 厂播式的网络( 如以太网) 中多台主枷遥接至崾端的谤问集中器上的 种标准。为了能在广播式的网络e 建立、维持各主机与访问集中器之间点对点的关系，那么 就需离每个主柳与访问集中器之间能建立唯咱点至0 点的会话。主棚与访问集中器之间建立会 话就需要达成p p p o e 仂议的踟商。p p p o e 协议共包括两个阶段，即p p p o e 的笏砚阶段( p p p o e d i s c o v e r ys t a g e ) 和p p p o e 的刽舌阶段( p p p o es e s s i o ns t a g e ) 。当个主杌希望能够开始 个p p p o e 会话时，它首先会在广播式的网络e 寻找卟访问集中器，当然可能网络t 会存在 多个访问集中器时，对于主c l 而言峪姗各访问集中器( a c ，a c c e s sc o n c e n t r a t i o n ) 所能 提供蝴膨驰刻羽户的预先的型招穗参| 黾j 新亍丰即瑚q 选择。当主柄j 墼 晕完了所需要的访问集中器 后，就开始和访问集中器逮立个p p p o e 会话。在j 掣n 妤呈中访问集中器会为每个p p p 0 e 会 话分配个雌_ 自犍主程i d ，以e 就是阢e 的发王嬲丑程。会话i d 建立起来后劳泖台了p p p o e 的会i 都介段，在这个阶段中已建立好点对前强韵双方( 这种点对点的结构与p p p 不样，它 是种逻辑e 的点对点关系) 就采用p p p ”协泌彩避删日文，从而! 静系列p p p 自钮嘏， 最终将在这点对点的逻孽审蘑道e 进行网绍层娄啦报的传送。 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 下面我将分析p p p o e 仂设的数据格式，p p p o 断瞪鞫；现中包的设汁都是遵循以下的数据格式。 p p p o 盹瞅的完成导椰断发逸魄尉胶自匀i 丑程，它的魄刚飚嘣堤被封装在以太网的数据 域( 净蓼打南区) 中传送。图1 是以为帧的格式，各字鼬晗义立口- 下： 0l2 34 567 890l2 345 目的地址 ( 6o c t e t s ) 源地址 ( 6o c t e t s ) 协议类型 ( 2o c t e t s ) 载荷( i m y l o o d ) 检验和( c h e c k s 向 图1 ：以杰倒抬式 1 )目的地址 目的地址是一个单播m a c 地址或广播地址( 除了在发送p a d i 时是广播地址 0 ) 【f f f f f f f f f f f f ) ，在发1 月阶段和会 郡介段确立建立连接关系后，它将是对方i s p 的m a c 地址。 2 ) 源地址 源地址是客户主机的m a c 地址。 3 ) 协议类型 协议类垩$ 在p p p o e 中有两种取值区分发觋阶段和会话阶段，0 x 8 8 6 3 代表发现阶段， 0 x 8 8 6 4 代表翁舌阶段。 4 ) 载荷 净载菏主要是用来承载协议类型中所指雨抱冒报文，在p p p o e 仂议中所有的p 阳d e 数据报文就是凌肆毖臼蕾? 、域中被传送。 5 ) 校验和 校验和主要用来保证链路层数据帧传送的正确性。 p p p o e 的数据报文是谈封装在以太网帧的载荷内进 科送的。下图2 是p p p o e 的报文的恪 式，各字段的含义如下： 嵌入式多媒体终端p p p o e 协议的研究与实现 0123 456789d123 4567890123 45678901 i 版本类型代码 会话i d l i长度域 争载荷 l 1 ) 版本r v e r 为4e 匕睁，在p e 协议觇范中取值为o x 0 1 。 2 ) 类型t y p e t y p e 为4e 匕待，在p p p o e 协议规范中取值为o x 0 1 。 3 ) 代码c 。d e c o d e 为8 比牦在p p p o e 仂议规范中，代码蚓计艮据p p p o e 的不同阶段分别嗽值为 o x