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北京邮电大学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 摘要 最近两年，无线局域网技术受到了广泛的关注，成为通信领域的热点之一。 有人甚至将2 0 0 2 年称之为“无线局域网年”。 无线局域网是在计算机有线局域网基础上发展而来的。它不但继承了有线局 域网简单，高速，兼容性好的许多优点，而且具有有线局域网无法支持的移动计 算能力。因此，它必将成为以实现个人通信为目的的未来通信网中的一个重要组 成部分。 。 这篇论文所研究的课题就是开发用于无线局域网的通信设备接入点( a p ) 与网桥( w b ) 。 本论文首先介绍了无线局域网早期发展过程，分析了无线局域网的几种标准， 详细介绍了目前广泛使用的i e e e 8 0 2 1 1 协议的技术特点；接着介绍了本课题采用 的嵌入式系统的基本概念，嵌入式系统的开发工具实时操作系统v x w o r k s 及 其开发环境t o r n a d o ；随后提出了a p 和w b 的具体设计方案，包括a p 和w b 系 统的硬件结构框图、软件框架以及上层软件的设计思想及其具体实现，其中，对 两个通信端口以太网端口和无线端口的软件设计与实现( 尤其是无线端口驱 动程序的设计与实现) 进行了重点论述：这里提出了将无线端1 ：3 驱动程序作为操 作系统的应用程序模块加入到系统中的方法，并以此为基础设计了无线端口驱动 的整体结构，模块功能以及与系统其它部分的交互关系。相对于将驱动程序加在 操作系统中的一般方法，这里所采用的方法具有灵活高效易实现的特点。最后给 出了对后续工作的一些建议。 关键词： 无线局域网，接入点( a p ) ，网桥( w b ) ，嵌入式系统，v x w o r k s ，t o r n a d o ，板 级支持包( b s p ) ，i e e e 8 0 2 1 1 b ，m p c 8 6 0 ，p c m c i a ，h f a 3 8 4 1m a c 控制器 北京邮电大学硕士论文 基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 a b s t r a c t i nr e c e n tt w oy e a r s ，w l a nd r a wm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ns ot h a ti th a sb e c o m e 一 o n eh o t - s p o to ft h ec o m m u n i c a t i o n sd o m a i n s o m eo n e se v e nc a l l e dt h ey e a r 2 0 0 2a s ”t h ey e a ro fw l a n ” w l a ni sd e v e l o p e df r o mt h ew i r e dl a n i tn o to n l yi n h e r i t sal o to fa d v a n t a g e so f w i r e dl a n ，s u c ha ss i m p l e n e s s ，h i g hs p e e da n dg o o d c o m p a t i b i l i t y ，b u ta l s oh a s t h e c a p a b i l i t i e so f m o b i l ec o m p u t i n gt h a ta r en o t s u p p o r t e db y t h ew i r e dl a n s o w u 、nm u s tb ea ni m p o r t a n tp a r to ft h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka i m e da t r e a l i z i n gp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s t h et a s ks t u d i e db yt h i sa r t i c l ei st od e v e l o pt h ed e v i c e su s e di nw l a n ：a c c e s s p o i n t ( a p ) a n d w i r e l e s sb n d g e ( w b ) i nt h i sa r t i c l e ，a tf i r s t t h ew l a n s d e v e l o p i n gp r o c e s si ne a r l y t i m ei sd e s c r i b e d ， s e v e r a lw u 、ns t a n d a r d sa r e a n a l y z e d t h et e c h f e a t u r e so fi e e e8 0 2 1 1 p r o t o c o lw i d e l yu s e dt o d a ya r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e n t h eb a s i cc o n c e p to f e m b e d d e ds y t e mu s e di nt h i s a r t i c l e ，a n d i t s d e v e l o p i n gt o o l s r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m v x w o r k sa n di t s d e v e l o p i n g c i r c u m s t a n c et o r n a d o ，a r e i n t r o d u c e d a n dt h e nt h es p e c m cd e s i g ns c h e m eo fa pa n dw b i n c l u d i n gt h e h a r d w a r eb l o c kd i a g r a m ，t h es o f t w a r ef r a m e w o r k ，t h ed e v e l o p i n gi d e o l o g yo f u p p e rl a y e rs o f t w a r ea n di t sr e a l i z i n gp r o c e s s ，a r ep u tf o r w a r d t h es o f t w a r e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h et w oc o m m u n i c a t i o np o r t s ，e t h e r n e ta n dw i r e l e s s ， e s p e c i a l l y t h ed r i v ep r o g r a mo fw i r e l e s so n e a r ed i s c u s s e d s t r e s s l y t h em e t h o d o f t a k i n gt h e w i r e l e s sp o r td r i v e ra sa na p p l i c a t i o np r o g r a mm o d u l eo fo p e r a t i n g s y s t e m i sp r o p o s e d ，w h i c hh a st h e a d v a n t a g eo fh i g hf l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c ya s w e l la sc a nb e e a s i l yr e a l i z e d f i n a l l y , s o m es u g g e s t o n so ft h ef u t u r ew o r ka r e g i v e n - 4 - 北京邮电大学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 k e y w o r d s ： - w l a n ，a c c e s sp o i n t ( a p ) ，w i r e l e s sb r i d g e ( w b ) ，e m b e d d e ds y s t e m ，v x w o r k s ， b o a r d s u p p o r tp a c k a g e ( b s p ) i e e e 8 0 2 1 l b m p c 8 6 0 ，h f a 3 8 4 1 m a c c o n t r o u e r 5 北京邮电大学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端e l 的设计与实现 1 j 一 刖吞 计算机网络涉及计算机和通信两个领域。嘲在传统的有线局域网( l a n ) 中，计 算机等设备被网络连线紧紧牵制着而无法实现可移动的通信，更无法发挥便携式 计算机的通信功能。近些年来，随着局域网的应用领域不断拓宽和现代通信方式 的不断变化，尤其是移动和便携式通信的发展，无线局域网( w l a n ) 便应运而生。 n 嘲 同有线局域网相比较，无线局域网具有开发运营成本低、时间短，投资回报 快，易扩展，受自然环境、地形及灾害影响小，组网灵活快捷等优点。可实现“任 何人在任何时间，任何地点以任何方式与任何人通信”，弥补了传统有线局域网的 不足。同时，它也继承了有线局域网简单，高速，兼容性好的许多优点。闭因 此，它必将成为以实现个人通信为目的的未来通信网中的一个重要组成部分。无 线局域网设备也将成为未来几年最受欢迎的通信产品之一。嘲 现在无线局域网的数据传输速率现在已经能够达到1 1 m b p s ( 8 0 2 1 1 b ) ，最高速 率可达5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a ) ，传输距离可远至2 0 k m 以上。目前无线局域网除能传输 语音信息外，还能顺利地进行图形、图像及数字影像等多种媒体的传输。随着 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准的制定和推行，无线局域网的产品将更加丰富，不同产品的 兼容性将得到加强。【2 钟 我们的课题主要是研究无线局域网的主要标准，并在掌握了相关理论的基础 上设计并实现无线局域网设备a p ( a c c e s sp o i n t ) 与w b ( w i r e l e s s b r i d g e ) ， 包括所有硬件及软件。本文还将重点论述系统的两个通信端口：以太网端口及无 线p c m c i a 端口的设计与实现方法。 就设备本身来讲，它是一个计算机系统。又由于无线局域网设备是通信领域 中的专用设备，因此，它必须用面向专用功能的嵌入式系统来实现。川所以我们在 一掌握了无线局域网等通信领域的知识之后，还深入学习了计算机系统，尤其是嵌 入式系统的知识，艰据嵌入式系统的特点以及开苤嵌入式系统的特殊规律设计并 实现了a p 与w b 系统。 2 7 1 p 4 1 口司1 3 句嗍【4 封 这一课题在国内尚未得到广泛研究，具有一定的先进性和探索性。本课题的 北京邮电大学硕士论文 基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 研究如能获得成果，必将对国内无线局域网的发展和嵌入式系统的产业化发展作 出贡献。 论文结构安排如下： 第一章简单介绍了局域网发展的趋势，无线局域网的优势以及无线局域网标 准的必要性及其发展过程；介绍了无线局域网的几种标准；较为详细地介绍了目 前广泛使用的i e e e 8 0 2 1 1 协议。 第二章论述了嵌入式系统的基本概念和特点；论述了实时系统的概念和特点： 着重讲解了嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o m a d o 。 第三章论述了接入点( a p ) 和网桥( w b ) 的主要功能；a p 和w b 系统的硬 件设计方案和结构框图；核心芯片的性能和特点；_ 三部分外围电路：以及a p 和 w b 的软件框架与各模块功能。 第四章论述了v x w o r k s 平台下的网络驱动程序的结构，以及a p 和w b 中的 通信端口之一：以太网端口驱动程序的实现。 第五章论述了a p 和w b 中的无线端口的整体设计以及相关知识，是本论文 的重点所在。本章说明了无线端1 ：3 的硬件设计；论述了m a c 控制器h f a 3 8 4 1 的 特点和使用方法；介绍了1 6 比特p c 卡，p c m c l a 接口协议以及m p c 8 6 0 上的 p c m c i a 端1 ：3 。接着分析了无线端口驱动与操作系统的关系，以及与以太网驱动 的不同；分析了系统中的数据流程；最后具体论述了无线端1 ：3 驱动的整体结构以 及各部分模块的功能，并说明了加入无线端1 ：3 模块之后，b s p 中所做的改动。 最后，在结束语中，对本课题的研究成果做了一个简要总结，同时对本课题 的后续工作做了简要说明。 论文主要成果： 1 较为详尽地论述了无线局域网的发展背景和标准发展过程，深入研究了目前使 用最为广泛的i e e e8 0 2 1 1 标准的技术细节，并探讨了无线局域网以及无线局 域网设备的应用前景，验证了发展无线局域网，开发无线局域网设备这个构想 的合理性。 一 2 研究了嵌入式系统的关键技术问题，探讨了嵌入式系统发展的方向和前景，研 究了用嵌入式系统实现通信领域应用的最佳方式。在此基础上，提出了无线局 域网设备a p 与w b 的总体设计方案以及其中关键模块：通信端口的详细设计 方案。其中无线端1 3 的软件设计方案是独创性的。 北京邮电大举硕土论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 3 研究了嵌入式实时操作系统v x v v o r k s 的特性，论述了开发v x w o r k s 应用程序、 v x w o r k s 下的驱动程序以及针对特定硬件平台修改b s p 的方法。 ! ! 塞墅皇查堂堡主笙兰 茎主堂垒茎墨堡箜垂些旦苎塑丝鱼望堕堂旦塑堡生墨壅翌 第一章无线局域网以及i e e e8 0 2 1 1 标准 1 1 无线局域网的产生 在过去很长的一段时期内，局域网主要采用双绞线、同轴电缆作为传输媒介， 最高可以达到1 6 m b p s 的数据速率。它的代表就是基于i e e e8 0 2 3 的1 0 b a s e x 以太网和基于i e e e8 0 2 5 的i b m 令牌环网。虽然它们能够满足一般的工业自动化 以及办公自动化的要求，但是也存在传输速率不够高，布线繁琐，不支持移动体 访问等不足。 为了克服以上问题，人们开始从高速和移动两个方面寻找突破口来研究新一 代局域网。 在提高传输速率方面，局域网沿着1 0 b a s e x f d d i ( 光纤分布式数据接口) 1 0 0 b a s e x - 1 0 0 0 b a s e x 的方向发展。目前，1 0 0 b a s e x 已经全面取代了 1 0 b a s e x 在局域网中的地位，并且出现了在城域网中直接使用1 0 0 0 b a s e x 的趋 势，这显示了局域网技术的巨大生命力。 ， 局域网的另一个发展方向是具有支持移动计算能力的无线局域网。这里，“移 动”是指网络中的终端可以在漫游的同时保持与网络的通信。无线局域网采用电磁 波或红外线作为传输媒介，在保持与传统局域网相当的传输速率( 1 - 1 0 m b p s ) 的 同时，构成了无需布线就可以进行通信且支持移动计算的局域网。 1 2 无线局域网的优势 从理论上讲，实现移动数据网络的方法有很多种，除了无线局域网以外，主 要还有下面几种途径。 第一是直接利用现有的模拟或数字蜂窝电话网、微蜂窝无绳电话网传送计算 机数据。这种方式相当于将移动电话作为市话网中连接调制解调器的电话线的替 代品。这种方法的优点是网络覆盖范围广，但它只支持十几k b p s 的数据速率并且 可靠性差。不适宜传送突发数据。这种方式如图1 1 所示。 北京邮电大学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 图1 1 利用移动电话传输数据 第二是建立专用的移动分组交换网。这种方式是利用一个专用数字分组交换 网代替图1 1 中的移动交换网。虽然。它的可靠性和安全性能得到较大提高，但是 它需要付出重新建立一套网络系统的代价，而且数据速率并不能得到明显提高。 第三是在现有的蜂窝电话网络上建立数据交换网。这种技术的典型代表就是 g p r s 系统。它是通过对现有g s m 网络的改造而得到的；g p r s 可以提供高达 1 7 0 k b p s 的数据速率，它结合了上述两种途径的优点，即不仅具有安全可靠的特 点，而且无需建设新的网络( 只需对现有g s m 系统进行改造) 。 另外，第三代移动通信( 3 g ) 将数据通信作为一个重要的业务，它的目标是 提供车载1 4 4 k b p s 、步行3 8 4 k b p s 、室内2 m b p s 的信息传输速率。虽然作为下一 代移动电话网，它在技术上要优于前面三种方案，但建设成本将是3 g 系统真正实 现的巨大障碍。 上面所提到的方案都是建立在电信网络的基础上，它们都存在着如下一些共 同的缺点： 传输速率低：目前的g s m 系统只支持9 6 k b p s 的数据速率，而处于发展阶 段的第三代移动通信也只能提供1 4 4 k b p s 到2 m b p s 的信息传输速率。这严重限制 了它们对高速多媒体业务的支持能力。 主要面向语音业务：传统电信网的主要业务是面向语音通信，而高突发性的 数据传输和语音通信有着很大的不同，在数据通信的比重日益增加的趋势下，未 来的通信系统应该主要面向数据通信。 一系统复杂、成本高：电信网络最大的优点是良好的网络管理和服务质量保证， 但这同时带来了它的缺点：系统复杂、建设和维护成本高。这一缺点即使不会导 致新技术的失败，也会大大限制它的发展和普及。a t m 技术的发展就是一个很好 的例子。 北京邮电大学硕士论文 基于嵌入式系统的无线局域阔设备通信端口的设计与实现 同前面的几种方案不同，无线局域网是在计算机有线局域网的基础上发展而 来，它继承了有线局域网系统以下优点： 简单：由于覆盖范围和用户都是有限的，所以可以采用广播方式传输而不需 要复杂的信道分配和路由管理。这使得网络设备和网络管理都可以大大简化，这 意味着网络的建设和维护成本都可以大大降低。 高速：由于共享信道，终端可以使用相对较宽的信道而达到高数据速率，虽 然总的吞吐量没有改变，但对于高突发性的数据传输是一种高效的方案。 兼容性好j 由于无线局域网是从有线局域网发展而来，所以两者具有相似的 性能和特点，用于有线局域网的大量软件和终端只需要稍作改动就可以用于无线 局域网。这大大提高了无线局域网的兼容性。 由于具有上述这些优点，无线局域网必将成为实现移动计算网络的关键技术 之一。在未来的通信网中，无线局域网即使不是构成移动计算网络的基础，也会 成为其中的一个重要组成部分。图1 2 给出了个基于无线局域网的移动计算网络 的实现方案。 图f 2 基于无线局域网的移动计算网络 1 3 无线局域网标准 由于无线局域网相关技术的逐步成熟以及被日益看好的市场前景，越来越多 的制造商开始投入无线局域网产品的研究和开发。为了使得无线局域网能够迅速 健康地发展，人们需要一个类似于有线局域网中的以太网那样的行业标准来保证 北京龆屯大学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 设备之间的互通性，以促进无线局域网市场的形成和扩大。而欧美日等发达国家 以及有关国际化标准化组织都先后制定了有关无线局域网的法规和标准。下面将 对它们作一个简单介绍。 1 。3 1 早期无线局域网的发展 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个i s m 频段，允许在满足一定的条件下，免许可地使用这些频段。即只要无线 局域网设备的发射功率及带外辐射满足f c c 的相关规定，用户无需向f c c 提出 申请就可使用这些频段。随后，欧洲无线电委员会( e r c ) 于1 9 9 1 年公布了建议 用于无线局域网的一组频段，这些频段分别为2 4 g h zi s m 频段，5 8 g h zi s m 频 段，1 7 ，1 g h z 频段，2 4 g h zi s m 频段和6 0 1 g h z 频段。而e t 本邮政省电波系统 开发中心( r c r ) 在9 3 年公布了无线局域网的电波规范r c rs t d - 3 3 和r c r s t d 3 4 。 最早的无线局域网产品是在9 0 年代初出现在市场上的。其中除了工作在上述 i s m 频段的系统外，也有采用专用频段的产品，如美国摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 的a l t a i r 室内无线系统就工作在1 9 g h z ( 1 9 4 9 5 1 9 5 5 5 ) 专用频段。 + 这些早期产品主要特点是各个设备制造商都采用了专有的传输方式和各自不 同的m a c 协议，这是由于当时还没有存在一个正式的或事实上的统一标准。所以 不同厂商的设备之间没有互通性，同无线局域网内的设备必须由同一设备生产 商提供，这大大限制了无线局域网的扩大与普及。 1 3 。2 无线局域网的标准化工作 无线局域网技术的进一步发展和普及首先要求解决不同生产商的无线局域网 产品之间的互通性问题。所以有关部门和国际标准化组织先后开始了无线局域网 的标准化工作。 在9 0 年代开始的标准化工作中，产生了多个正式的或制订中的标准：包括 i e e e s 0 2 委员会制订的i e e e 8 0 2 1 1 协议和欧洲电信标准委员会( e t s i ) 制定 h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c ee u m p e a nr a d i oi _ a n ) ，s u p e r n e t ( s h a r e d u n l i c e n s e dp e r s o n a l r a d i o n e t w o r k ) ，、 a n d ( w i r e l e s s a t mn e t w o r k d e m o n s t r a t o r ) ，b w a s ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa t ms y s t e m ) 等。它们都可以在 1 2 ! 堕邮电盔堂塑主论寰基于嵌入式系统的无线局域网设各通信端口的设计与实现 支持异步数据业务( 即对时延要求不高的传输服务) 的同时提供一定的q o s 服务 保障，满足有实时要求的语音和图像传输的要求。在这些标准中，按工作频段和 数据速率可以分为三大类。 1 ) 工作在2 4 g h z 频段的中速无线局域网( 如，i e e e 8 0 2 1 1 ) ，它采用的 是窄带扩频技术，可以提供1 - 1 1 m b p s 的数据速率。它能够提供与有线 局域网1 0 b a s e x 相当的传输速率，在技术上较为简单成熟，成本上也 具有一定的优势( 相对于其它无线局域网技术) 。 2 ) 工作在5 8 g h z 频段的高速无线局域网( 如，h i p e r l a n 、w a n d 和 s u p e r n e t ) ，它们都可以提供2 0 m b p s 或更高的数据速率。为了解决 在高速数据传输时的码间干扰( i s i ) 问题，它们一般都采用了o f d m 技术，这使得系统的复杂性和成本都高于中、低速无线局域网。 3 ) 工作在更高频段的超高速无线局域网( 如，w a n d 和a w a c s ) 其中 工作在2 9 g h z 频段的w a n d 可以提供单路4 0 m h z 的传输速率，系统 目标是四路并行累计实现1 5 5 m b p s 传输，而且能够和有线a t m 网络直 接接1 ：3 。但随着工作频率的提高，系统对移动用户的支持会变得更加困 难。 在上述系统中，虽然高速无线局域网有着足够支持高质量视频的数据速率， 但是它却存在着尚未解决的技术问题并受到成本的限制。因此，虽然高速局域网 仍将是今后的发展方向，但是目前只有中速局域网具有较大的实用价值。而中速 局域网的速率也可以满足目前绝大多数网络应用的要求。所以，下面仅对中速局 域网中用到的i e e e 8 0 2 1 1 标准进行研究和分析。 1 4i e e e 8 0 2 1 1 标准 在前面简单描述了无线局域网的标准发展情况后，我们将对i e e e 8 0 2 1 1 协议 做出一个具体的说明，以便在了解协议的基础上对系统的特点和性能进行理论分 一 析，为系统的设计进行必要的准备。 1 4 1 网络拓扑 i e e e 8 0 2 1 1 支持无中心和有中心的两种网络拓扑，并且支持由多个中心联合 北京邮电大学硕士论文 基于嵌入武系统的无线局域同设备通信端口的设计与实现 组成一个无线局域网以覆盖更大区域。 图1 3i e e e s 0 2 1 1 的网络拓扑结构 图1 3 a 显示了一个最简单的i e e e 8 0 2 1 1 网络。它由两个或两个以上的无线 终端( 网卡) 构成，由网卡之间相互识别来建立连接。在进行数据传输时也是由 同一i b s s 内网卡之间直接进行。由于不能够与外部其它网络进行通信，所以称之 为i b s s ( i n d e p e n d e n t b s s ) 。由于i b s s 网络通常是没有预先规划而临时组成的， 所以也称为a d h o c 网。 在实际使用中，更为常用的是每个b s s 中包含一个接入点( a p ) 的有中心 拓扑结构( 图1 1 b ) 。i e e e s 0 2 1 1 协议中将这种有中心网络拓扑称为i n f r a s t r u c t u r e b s s 。在这种i n f r a s t r u c t u r eb s s 中。终端之间不能够直接相互通信，而所有的移 动终端之间以及移动终端与有线网节点之间的数据传输都要经过a p 转发。a p 的 两个主要功能就是：无线局域网数据包转发，以及构成无线局域网同有线局域网 之间的网桥。 为了扩大无线局域网的服务范围，i e e e b 0 2 1 1 在b s s 的基础上规定了d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 功能。通过d s 功能，可以将多个i n f r a s t r u c t u r eb s s 结 合为一个e s s 系统。在同一个e s s 中，用户可以在从一个b s s 漫游到相邻的b s s 的同时保持数据传输不间断。而这一切对于高层的网络协议都是透明的。通过使 用e s s ，就可以使无线局域网的大范围的无缝覆盖成为可能。 一 1 4 2 物理层 i e e e 8 0 2 1 1 标准规定了物理层的三种实现方法。 1 ) 跳频扩频f h s s 韭室些皇查兰堕主堡壅 茔主堂垒壅墨竺塑垂丝旦苎旦丝鱼望堕塑旦塑堡盐兰壅型 跳频扩频( f h s s ，f m q u e n c yh o p p e ds p m a ds p e c l r u m ) 是扩频技术中常 用的一种。它使用2 4 g h z 的i s m 频段( 即2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z ) 。共有7 9 个信 道可供跳频使用。第一个频道的中心频率为2 4 0 2 g h z ，以后每隔1 m g h z 一个信 道。因此每个信道可使用的带宽为1 m h z 。当使用二元高斯移频键控g f s k 时， 基本接入速率为1m b ，s 。当使用4 元g f s k 时，接入速率为2 m b ，s 。 2 ) 直接序列扩频d s s s 直接序列扩频( d s s s ，d i r e c is e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 是另一种重要 的扩频技术。它也使用2 4 g h z 的i s m 频段。当使用二元相对移相键控时，基本 接入速率为1 m b s 。当使用相对移相键控时，接土速率为2 m b s 。 3 ) 红外线技术l r 红外线技术i r ( i n f r a r e d ) 是指使用波长为8 5 0 9 5 0 n m 的红外线在市内传送 数据。接入速率为1 2 m b s 。 在上面提到的三个物理层中，只有d s s s 和f h s s 这两种工作在2 4 g h zi s m 频段的物理层有实用价值。这两种物理层不仅都符合f c c 关于使用i s m 频段的有 关规定，并且在频率上满足了大多数国家管关于2 4 g h z 免许可频段的分配，如表 1 1 所示。 表1 1i s m 频段的分配 国家和地区分配的i s m 频段 美国 2 4 0 0 0 1 2 4 8 3 5 g h z 欧洲2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 日本2 4 7 1 - 2 4 9 7 g ；h z 法国2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 西班牙2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 上述两种物理层有着各自不同的特点和适用范围，选择哪一种则要根据实际 的环境和系统要求而定，一般而言，d s s s 由于采用全频带传送资料，速度较快， 未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。d s s s 技术适用于固定环境中、或对 传输品质要求较高的应用，因此，无线厂房、无线医院、网络社区、分校连网等 应用，大都采用d s s s 无线技术产品。f h s 8 则大都使用于需快速移动的端点， 如行动电话在无线传输技术部分即是采用f h s s 技术；且因f h s s 传输范围较小， 所以往往在相同的传输环境下，所需要的f h s s 技术设备要比d s s s 技术设备多， 在整体价格上，可能也会比较高。以目前企业需求来说，高速移动端点应用较少， 而大多较注重传输速率、及传输的稳定性，所以未来无线网络产品发展应会以 享专乏蛆( 1 1 1 ) 传m j l i l m l l 早窜；长早早 一画画 画画 孕孕画窜 1 正旦 o 乡1 ” ， i 垄蔓墅皇查堂堕主笙墨 量主堂垒茎墨垄塑重丝旦篓坚堡鱼望堕塑旦墼望生量壅墨 图1 5 c s m n c a 协议中的f i t s 和c t s 帧 图1 5 ( a ) 表示站a 在向b 发送数据帧之前，先向b 发送一个请求发送帧 r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 。在f i t s 帧中说明将要发送的数据长度。b 收到f i t s 帧后就向a 响应一个允许发送帧c t s ( c l e a rt os e n d ) 。在c t s 帧中也附上a 欲发送的数据帧的长度。( 从r t s 帧中将此数据复制到c t s 帧中) 。a 收到c t s 帧后就可发送其数据了。下面讨论在a 和b 两个站附近的一些站做出什么反应。 站c 处于a 的传输范围内，但不在b 的传输范围内。因此c 能够收到a 发 送的f i t s ，但经过一小段时间后，c 不会收到b 发送的c t s 帧。这样，在a 向b 发送数据时，c 也可以发送自己的数据而不会干扰b ( c 收不到母的信号表明b 也收不到c 的信号) 。再观察站d 。d 收不到a 发送的r t s 帧，但能收到b 发送 的c t s 帧。因此，d 在b 发送数据的时间内不发送数据，因而不会干扰b 接收a 发来的数据。至于站e ，它能收到r t s 和c t s ，因此e 在a 发送数据帧的整个 过程中不能发送数据。 使用r t s 和c t s 帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短， 它们的长度分别为2 0 和1 4 字节。而数据帧最长可达2 m 6 字节，相比之下的开 销并不算大。相反，若不是用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发， 则浪费的时间就更大。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：一种是 使用r t s 和c t s 帧：另一种是当数据的长度超过某一数值时才使用r t s 和c t s 帧：还有一种是不使用r t s 和c t s 帧。一 虽然协议经过了精心的设计，但冲突仍然会发生。例如，b 和c 同时向a 发 送r t s 帧。这两个r t s 帧发生冲突后，使得a 收不到正确的f i t s 帧因而a 就不 会发送后续的c t s 帧。这时，b 和c 像以太网发生冲突那样，各自随机地推迟一 段时间后重新发送其r t s 帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。 北京邮电大学硕士论文基于嵌入式幕统的无线局域网设备通信端n 的设计与实现 为了尽量减少冲突，8 0 2 1 1 标准设计了独特的m a c 子朦。如图1 6 所示。 无争南服务 【点协调功h p c f l ( p a i n tc o o r d i n a t i o np u n c t i o 啦 分布协调功能d c f | ( d i s t r i b o t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) l秘理簇 圈1 ，6 i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 子屡 它又包括两个予层。在下面的一个叫做分布协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 在簿一个结熹使餍e s 澈辊翻静分布式装入算法， 设每个蛙通过争用僖道来获取发送投。因此d c f 向上提供争月服务。另一个叫做 点协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。p c f 是用集中控制的按入算法 ( 一般在接入点实瑗集中控籁) ，糟类 娃子轮诲鹃方法将发送数据投轮流交给各个 站，从遐避免了i 孛突的产生。对予时阀敏感的般务，如分缎话音，就应豢是用点 协调功能p c f 。p c f 提供的是无争用服务。 本章夺结； 本章简单介绍了岗域网发展的趋势，无线髑域网的优势以及无线局域阚标准 的必要性及其发展过程。分层次糟重介绍了i e e e8 0 2 1 1 标准，为整体系统的设 计骰了遴论上翡准备。 +i啦丁 北京邮电大学硕士论文 基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端1 ：3 的设计与实现 第二章嵌入式实时多任务操作系统 v x w o r k s 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的概念 目前，嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一，吸引了大批的优秀人 才投入其中。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技术， 仍在讨论之中。就这个问题我们可以分别从广义上和狭义上来论述。 广义上，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以被称为嵌入式 系统。作为系统核心的微处理器又包括三类：微控制器( m c u ) 、数字信号处理器 ( d s p ) 、嵌入式微处理器( m p u ) 。所以有人简单的说：“嵌入式系统是指操作系统 和功能软件集成于计算机硬件系统之中。”还有人认为嵌入式系统就是“以应用为中 心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。应该说，后者从功能应用特征上比 较好地给出了嵌入式系统的定义。本质上，对嵌入式概念的分析应该从应用上加 以切入。 狭义上，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成的独立系统为嵌入式系 统。它是具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统。这里的微处理器专 指3 2 位以上的微处理器。按照这种定义，典型的嵌入式系统有使用x 8 6 的小型嵌 入式工控主板，在各种自动化设备，数字机械产品中有非常广阔的应用空间；另 外一大类是使用i n t e l ，m o t o r o l a 等专用芯片构成的小系统，它不仅仅在新兴的消 费电子和通讯仪表等方面获得了巨大的发展应用空间，而且有取代传统工控机的 趋势。现在大家更加清楚地看到：嵌入式技术的春天已经来了。所以，嵌入式系 统成为当前最热门的技术之一也就不足为怪了。 ” 北京邮电大学硕士论文 l 基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端u 的设计与实现 2 1 2 嵌入式系统的特点和要求 2 1 2 1 嵌入式系统具有的产品特征 1 ) 由于嵌入式系统采用的是微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操作系 统，所以往往不需要大量的外围器件。因而在体积上，功耗上有其自身的优势。 相比之下，一个使用w i n d o w sc e 的p d a ，仅靠机内电源就可以使用几天， 而任何一台笔记本仅仅能够支持3 小时左右。 2 ) 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相 结合后的产物，是- f l 综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌入式 系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。 3 ) 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于 磁盘等载体中。片上系统，板上系统的实现，使得以p d a 等为代表的这类产品 拥有更加熟悉的操作界面和操作方式，比着传统的商务通等功能更加完善，实 用。 4 ) 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求 配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有 通信接口，相应需要t c p i i p 协议族软件支持。 5 ) 因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 2 1 2 2 嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统 软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同： 1 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件 一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，雨不是存贮于磁盘等载体中。 2 ) 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高， 北京邮电火学硕士论文基于嵌入式系统的无线局域嘲设各通信端口的设计与实现 片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存 在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进 制代码长度、提高执行速度。 3 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不 相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。单纯通 过提高处理器速度是无法完成和没有效率的。这种任务调度只能由优化编写的 系统软件来完成。因此，系统软件的高实时性是基本要求。 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。 2 1 2 3 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境即 可进行某种应用开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即在设计完成以 后，用户不能对其中的程序进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行修改 与开发。这些开发工具和环境一般是指基于通用计算机上的软硬件设备以及各种 逻辑分析仪、混合信号示波器等仪器。 2 1 2 4 嵌入式系统软件需要r t o s 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机基本组成不 可分离的一部分。应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但 一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上 运行。但是，为了合理地调度多任务、利用系统资源与系统函数以及专家库函数 接口，嵌入式系统用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的 实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 2 1 3 嵌入式系统发展前景 未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将 获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华时预言，4 - 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入 式系统专家沈绪榜院士9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的 计算机的发展与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业 进行了科学的阐述和展望。1 9 9 9 年世界电子产品产值已超过1 2 0 0 0 亿美元，2 0 0 0 年达到1 3 0 0 0 亿美元，预计2 0 0 5 年，销售额将达1 8 0 0 0 亿美元。 北京邮电大学硕士论文 l 基于嵌入式系统的无线局域网设备通信端口的设计与实现 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前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。在广播电视领 域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术 已在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也已进入商品化试播阶段。而 软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中， 都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为 个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收 发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。 目前，一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日 用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信 息采集等，这种小型手持嵌入