（电路与系统专业论文）基于GPRS的嵌入式Internet研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 随着i n t e m e t 技术的高速发展，网络已经深入到人们生活的方方面面， 对现代社会的发展起到了巨大的影响。利用嵌入式i n t e m e t 技术可以实现 将各行各业广泛存在的电子设备接入i n t e r n e t ，这将使得对设备的远程检 测、远程控制、远程维护和远程数据采集变得简单。 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 是在现有 g s m 技术基础之上发展而来的一种新的承载业务。g p r s 网络提供了基于 i p 的分组交换数据业务，这就使得终端用户可以访问最大的分组数据网络 ( p b n ) i n t e m e t 。利用g p r s 网络传输数据，具有永久在线、实时传 输和运营费用低的特点。 本文所实现的嵌入式i n t e m e t 技术是利用了g p r s 网络将设备以无线 方式接入i n t e r n e t 。系统采用了基于a r m 核的s a m s u n g 微处理器作c p u ， g p r s 通讯模块采用了s i e m e n s 的m c 3 5 ，软件功能在嵌入式实时操作系 统- t c o s i i 下编程实现。 归纳起来，本文具体工作如下： 1 、设计了基于a r m 7 t d m i 核的嵌入式开发硬件平台。 2 、在此硬件平台上成功移植了c o s i i 操作系统。 3 、实现了u d p 、i p 、p p p 和i c m p 协议，系统具有在线检测、掉线 重拨功能。 试验表明该设备具有稳定可靠、实时性强、传输速度快、运营费用低 等特点。实现了预期的目标。 关键词：嵌入式i n t e r n e t ，g p r s ，a r m ，g c o s - i i 电子科技太学硕士论文 a b s t r a c t w i t hh i g hr a p i dd e v e l o p m e n t so fi u t e m e tn e t w o r k ，i n t e r n e th a sm a d ea g r e a ta f f e c t so nt h ed e v e l o p m e n t so fm o d e ms o c i e t y t h ee m b e d d e di n t e m e t t e c h n o l o g y e n a b l e se l e c t r o n i ci n s t r u m e n t st oa c c e s si n t e r n e tw h i c hm a k e s r e m o t e d e t e c t i o n ，r e m o t e c o n t r o la n dr e m o t e m a i n t e n a n c e e a s y t h e a p p l i c a t i o n o fe m b e d d e di n t e m e t t e c h n o l o g y m u s th a v eg r e a tf u t u r ei nf i e l d so f i n d u s t r i a lc o n t r o la n di n f o r m a t i o ne l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，e t c g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) i st h en e wb e a rs e r v i c ew h i c hi s d e v e l o p e df r o mg s mn e t w o r k g p r s n e t w o r k s p r o v i d ep a c k e t s w i t c h e d s e r v i c e sb a s e do ni n t e r n e tp r o t o c o l ( i p ) ，w h i c hm a k ee n d - u s e rc a l la c c e s st h e e x t e r n a lp a c k e td a t an e t w o r k i n t e r a c t t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb a s e do n g p r sh a ss om a n yf e a t u r e ss u c ha s “o n l i n ef o r e v e r ”，f a s td a t at r a n s m i t t i n ga n d t h eb i l li sc h e a p t h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hh a sb e e nc o m p l e t e du s e dt h ec p u b a s e do n t h ea r mc o r e ，a n du s em c 3 5a sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r eh a s b e e n d e v e l o p e d u n d e rt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ：i j t c o s - i i u s i n gg p r s n e t w o r k ，t h ee q u i p m e n th a sr e a l i z e dt h ee m b e d d e d i n t e m e tt e c h n o l o g y i nc o n c l u s i o n ，t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： 1 、f i n i s h e dt h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n th a r d w a r ep l a t f o r md e s i g nw h i c h i sb a s e do na r m 7 t d m i c o r e ； 2 、a c c o m p l i s h e d t op o r ti x c o s i it ot h ep l a t f o r m ； 3 、i m p l e m e n t u d p i p p p p i c m pp r o t o c o l so n t h ee m b e d d e d s y s t e m ，a n d t h es v s t e mc a nd e t e c to n l i n eo rn o ta n d r e d i a lt oa c c e s si n t e r a c ta g a i nb y i t s e l f t h er e s u i to f e x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h ee q u i p m e n th a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs t e a d i n e s s ，r e l i a b i l i t y , a n df a s td a t at r a n s m i t t i n ga n dc h e a p i tf u l f i l l e dt h e s c h e d u l e dr e m a n d s k e y w o r d s ：e m b e d d e d i n t e r n e t ，g p r s ，a r m ，i c o s - i i i i - 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 为获得电子科技大学或其它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。 ，么 签名； 2 磊蟛 日期：锣悔r 月，d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技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应遵守此规定) 签名： ；磋耻 导师签名：_ 2 垒垒筮一 日期：? 椰印年f 月o 日 电子科技大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在信息社会中，i n t e m e t 技术得到了很大的发展，给人们的生活与工作带 来了巨大的改变。随着国民经济的持续发展，在工业监控系统、智能仪器、 安防系统等领域都存在大量的嵌入式系统，如何将这些嵌入式系统接入 i n t e m e t 网，以便人们能够远程获得这些电子设备的信息并控制它们的运行， 已成为一个技术热点问题。 嵌入式系统【l j 是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可以裁剪、 适应于应用系统对功能、可靠性成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。嵌入式i n t e m e t 技术口锵设备通过嵌入式系统直接接入i n t e r n e t ，利用 i n t e m e t 网络来实现信息传输。通常情况下，i n t e m e t 网络上的终端多为桌面 p c 系统，而采用嵌入式i n t e m e t 技术就可以实现将i n t e m e t 网络从p c 系统延 伸到国民生活中普遍存在的8 位、1 6 位、3 2 位单片机上，从而能够实现基于 i n t e r n e t 的远程检测、远程控制、远程维护和远程数据采集等功能，这将极大 地拓宽i n t e r n e t 的应用范围。 设备接入i n t e m e t 需要通讯协议的支持。因为通信协议本身对存储器容 量、计算速度等的要求比较高，要在大量存在的8 位、1 6 位嵌入式系统中实 现t c p i p 协议，存在着较大的困难。不同于桌面系统的通用通讯协议，嵌入 式i n t e r n e t 技术通常是针对一定的应用选择协议，同时对协议进行一定的优 化。要实现嵌入式i n t e r n e t 技术，其关键就是利用系统有限的资源来实现通讯 协议。 目前，设备接入i n t e r n e t 有以下几种主要解决方案【3 l 4 】： ( 1 ) 使用t c p i p 协议芯片 此方案利用了硬件协议栈，由单片机调用指令控制上网，其系统结构如 图1 - 1 所示。本方案要求嵌入式系统处理器性能优越，最好是1 6 3 2 位的处理 器，同时系统资源要比较丰富。处理器通过调用协议栈接口函数可以较方便 地连接上网。在8 位处理器上也可以实现i n t e m e t 的接入，这些处理器针对 t c p i p 协议做了优化，主要有z i l o g 公司的e z 8 0 系列和s c e n i x 公司的s x 5 2 b d 系列。 电子科技大学硕士论文 图1 1 采用协议芯片接人i n t e r n e t ( 2 ) 代理方式 此方案利用轻量级网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线等) 将设备连接 到一台p c 上，利用这台p c 机作为网关，将专用网络上的信息转换为t c p i p 协议数据报来实现设备上网功能。 典型的解决方案有e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e m e t 网络技术( e m i t ： e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 。e m i t 由e m m i c r o 、e m n e t 和 e m g a t e w a y 三部分组成。e m m i c r o 是驻留在设备中的微型网络服务器，是设 备与i n t e r n e t 之间的通信服务模块。e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为设备 和轻量级网络进行连接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的设备 能够和嵌入式微控制器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网 关( 即e m g a t e w a y ) 是e m i t 分布式网络平台的关键，运行在计算机中，它 是设备网络和i n t e m e t 之间联接的桥梁。设备借助于e m n e t 协议，通过 e m g a t e w a y 与i n t e m e t 连接。e m i t 方案的系统结构如图1 2 所示。 图1 - 2e m i t 技术的结构不意图 利用e m i t 实现设备与i n t e r n e t 的通信，并不要求每台设备都直接连接到 i n t e r n e t 上。利用轻量级网络扩展将需要上网的设备首先组网，再通过网关接 入i n t e m e t ，这可以利用网关的一个i p 地址将多个设备接入i n t e m e t ，具有组 网灵活、高性价比等优点。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 此方案利用了包含完整t c p i p 协议栈的嵌入式操作系统来控制整个系统 的运行。由于引入了操作系统，因此本方案比较适合于系统资源丰富的高速 1 6 3 2 位嵌入式系统使用。其系统结构示意图如图1 3 所示。 电子科技大学硕士论文 图1 - 3 采用嵌入式操作系统接入i n t e m e t 以上几种解决方案为现行几种主要接入方式，都是采用有线方式接入 i n t e m e t 。但在某些特定场合，如移动的销售车、航道中的浮标等，设备或较 分散或处于移动状态，并不适宜采用有线方式接入i n t e r n e t 。 针对设备以有线方式接入i n t e m e t 的不足，本文实现了一种基于g p r s 网 络的无线接入i n t e m e t 方案。利用g p r s 网络的覆盖范围广、数据传输速率高 等特性，可以方便快捷地将设备接入i n t e m e t ，特别适宜用于将野外工业现场 或移动设备接入i n t e m e t 。利用本文所实现方案将设备接入i n t e m e t ，系统具有 实时传输、运营费用低廉、高可靠率等特点。 1 2 课题目标 本文所实现的嵌入式i n t e m e t 设备上网方式如图1 - 4 所示。 图1 4 基于g p r s 的无线接入i n t e m e t 结构图 g p r s 终端相当于m o d e m ，用于连接设备和i n t e m e t 网络。利用g p r s 网 络与分组数据网络互联互通的特性，实现了将设备接入最大的p d n 网络 i n t e r n e t 。设备与g p r s 终端之间采用r s 2 3 2 接口通讯，在g p r s 终端连接上 网络后，设备即可以通过其来实现与i n t e m e t 上的主机进行数据通讯，g p r s 终端透明收发数据。这种实现方法类似于上文介绍的使用代理接入方案，只 是这里采用了无线方式，网关改为g p r s 终端。 g p r s 终端采用了基于a r m 核r i s c 结构的s a m s u n g 微处理器，利用 s i e m e n s 的m c 3 5 做g p r s 通讯模块，硬件开发平台扩展了f l a s h 和s r a m 。 采用在嵌入式实时操作系统j - t c o s i i 下编程方式实现了软件功能，所实现的 嵌入式i n t e m e t 协议主要有u d p 、i c m p 、i p 和p p p 。为了增强系统的可靠性， g p r s 终端实现了在线检测、掉线重拨功能。 电子科技大学硕士论文 1 3 本文的主要工作 本课题是中国电子科技集团第五十研究所的“基于g p r s 的无线监控系统 研究”课题的重要组成部分，研究的主要目的是借助于g p r s 网络，将工业 控制领域中大量存在的电子设备接入i n t e r n e t ，通过与i n t e m e t 上的监控中心 主机进行通讯，实现监控中心对该设备的远程控制和数据采集。 归纳起来，本文的主要工作有： 1 、设计了基于a r m 7 t d m i 核的嵌入式开发硬件平台。基于该平台，可 以实现多种基于a r m 的嵌入式应用。 2 、在此硬件平台上成功移植了扯c o s i i 操作系统。 3 、实现了u d p 、i p 、p p p 和i c m p 协议，系统具有在线检测、掉线重拨 功能。 试验表明，利用g p r s 终端能够较好地满足设备以无线方式接入i n t e r n e t 的需求，系统具有稳定可靠、实时传输、运营费用低等特点。 本文的第二章介绍了g p r s 网络，第三章介绍了嵌入式实时操作系统 g c o s i i ，第四章介绍了本文所实现的硬件开发平台和开发环境，第五章介绍 了软件实现，第六章为全文的总结。 电子科技大学硕士论文 2 1 系统综述 第二章g p r s 网络介绍 通用分组无线业务【5 】1 6 j 【7 j ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，g p r s ) 是在现有 g s m 技术基础上发展而来的种新的承载业务，g p r s 在移动终端与计算机 通信网络的路由器之间提供了分组传递业务，这也是g p r s 网络与g s m 网络 的最大区别。与g s m 网络相比，g p r s 网络能更有效的利用无线资源，特别 适用于长时间、小流量的突发数据传输业务。借助于多时隙绑定和高速编码 方案，g p r s 速率理论上最高可达1 7 1 k b p s 。 一信令接口 信令和数据传递接1 ：3 图2 - 1g p r s 网络结构及接口示意图 与g s m 网络相比较，g p r s 网络增加了多个功能实体：g p r s 业务支持 节点( s g s n ) ，g p r s 网关支持节点( g g s n ) ，如图2 - 1 所示ag p r s 复用了 g s m 的基础设施，可以最大限度地保护了既有资源，但g s m 系统的软件要 进行升级和增加新的m a p 信令和g p r s 信令，并采用新的g p r s 移动台 ( m s ) 。 新增加的主要功能实体说明如下： s g s n s g s n 即g p r s 服务支持节点。主要功能是对移动台进行授权和移动性管 电子科技大学硕士论文 理，建立移动终端到g g s n 的传输通道，接收基站子系统透明传来的移动台 数据，进行协议转换后通过g p r s 骨干网传送到g g s n 或者反向工作，并进 行计费和业务统计。 s g s n 通过g b 接口为移动台提供业务。在m s 附着后，s g s n 对m s 进 行移动管理。在p d p 移动场景激活时，s g s n 与g g s n 建立一条p d p 移动场 景，用于路由的目的。 g g s n g g s n 即g p r s 网关支持节点，是接入外部分组数据网络的节点，对外部 网络而言，g g s n 节点相当于一个子网路由器。g g s n 接收移动台发送的数 据，选择路由到相应的外部网络，或者接收外部网络的数据，根据其目的地 址选择g p r s 网络内的传输通道，将数据传送给相应的s g s n 。此外，g g s n 还有地址分配和计费等功能。 2 2 g p r s 的特点 2 2 1g p r s 无线接口特点 和原有g s m 相比较，g p r s 具有以下多个优点： 快速接入和释放无线接口资源 更加有效地使用无线接口资源 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、 同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。区别在于，g p r s 系统可以将 t d m a 帧的一些时隙动态地安排给g p r s 用户，这些时隙被称为分组数据信 道( p d c h ) 。通过在一条p d c h 上复用多个用户，或个用户也可以占用多 个p d c h ，g p r s 有效地共享了无线资源，提高了无线资源的使用效率。 2 2 2g p r s 网络特点 g p r s 网络具有包交换网络的结构，该网络具有对移动台的管理功能和无 线接入功能。g p r s 网络可以和运行在各种协议上的固定数据网络互联( 如 i p 和x 2 5 网络) ，i n t e r n e t 就是最大的外部分组数据网络( p d n ) 。从用户角 度看，g p r s 网络就相当于一个i n t e r n e t 网络的子网，g p r s 网络内的移动台 就相当于该子网内的主机，如图2 2 所示。当g p r s 提供i p 服务时，网络会 安排一个i p 地址集，这些地址可以动态或静态地分配给移动终端，从而实现 与基于i p 协议的固定主机通讯。g p r s 骨干网之间可以提供终端的漫游服务。 电子科技大学硕士论文 膝 2 2 3 移动台特点 图2 - 2g p r s 网络相当于i n t e m e t 的一个子网 在g p r s 网络内，定义了3 种不同的移动台。不同等级有不同的多时隙特 性和不同的同时使用g p r s 业务和电路交换业务的能力。 a 类工作模式移动台 a 类手机可以同时连接到g s m 和g p r s 系统上，能够在两个系统中同时 激活，同时侦听两个系统的信息，并且能够同时启用，同时提供g p r s 分组 业务和g s m 电路交换业务。 b 类工作模式移动台 b 类手机可以同时连接到g s m 和g p r s 系统上，可用于g p r s 分组业务 和g s m 电路交换业务，但两者不能同时工作。即在某一时刻，要么使用电路 交换业务，要么使用分组交换业务，m s 可以自动进行业务切换。 c 类工作模式移动台 c 类手机要么使用g s m 业务，要么使用g p r s 分组交换业务，只能轮流 使用。如果同时支持g p r s 分组业务和g s m 电路交换业务，只能人工进行业 务切换。 2 3g p r s 的无线信道 g p r s 是在g s m 基础上发展而来的，其物理信道和g s m 是一样的，只 是在逻辑信道上和g s m 有所不同。g s m 系统中，无线接入部分使用了f d m a 和t d m a 相结合的技术。g s m 使用9 0 0 m h z 的频带，该频带又分成1 2 4 对 双工信道，每个载波的间隙为2 0 0 k h z ，在每个信道中，采用时分复用，又分 为8 个时隙。 g p r s 系统中承载分组逻辑信道的物理信道称为分组数据信道( p d c h ) 。 p d c h 的逻辑信道可以分为业务信道和控制信道两大类。如图2 - 3 所示。 1 1 业务信道 电子科技大学硕士论文 广分组业务信道丰嚣襄关嚣 j l 9 。t c 剧c 5 4 l + p c c c h p 辫r a c h 瀚 l d c c h 主巍= l 。p t c c h u ( 上行) 皇三型垫查兰堡主堡塞 分组通知信道( p n c h ) ：下行信道，用于通知移动台p t m m 的 呼叫。 如果未分配分组公共控制信道，分组交换操作的信息将会在c c c h 上传 送。如果分配了分组公共控制信道，它也可以传送电路型的信息。 专用控制信道 分组专用控制信道( p d c c h ) 专为一个移动台所使用的信道。包括以下 信道： 分组随机控制信道( p a c c h ) 传送包括功率控制信息、测量等信 息。p a c c h 还携带资源分配和再分配信息。一个p a c c h 可以对 应分配给一个m s 的一个或几个分组数据业务信道。p a c c h 为双 向信道。 分组定时控制信道一上行( p t c c h ，u ) ：用于传送随机突发脉冲 以估计分组传送模式下的时间提前量。 分组定时控制信道一下行( p t c c h d ) ：用于向移动台传送定时 提前量。 2 4 g p r s 数据传输过程分析 利用g p r s 网络传输数据，可以把其看成四个过程i 钔，即连接过程、m s 发起数据传输过程、m s 终止的数据传输过程、终止过程。这里的分析是针对 由m s 发起的过程，由网络发起的过程与之类似，外部分组数据网络为 i n t e r n e t 。 2 , 4 1m s 发起的连接过程 一个移动台在与主机进行通讯前，首先必须连接到g p r s 网络，即与s g s n 建立连接。此刻m s 虽然已经登陆上g p r s 网络，但还没有为外部网络知道。 要能够收发数据，移动台还必须激活一个p d p 场景，在获得p d p 地址后，才 能够实现与p d n 上主机进行通讯。 当m s 向g p r s 发起连接请求时，其首先向s g s n 发送附带自身识别码 ( p t m s i 或t m s i ) 的连接请求，该信息同时也包含一个网络服务区域点标 识( n s a p i ) 。s g s n 通过查询m s 的用户归属寄存器( h l r ) 数据以验证用 户是否被授权使用该业务。授权验证通过后，s g s n 向m s 发送一个带专用临 时逻辑链路标志( t l l i ) 的回复信息。在s g s n 中，保存有分配给m s 的专 一 皇王型垫奎兰堡主堡奎 用t l l i 与m s 之间的映射关系，以及相应的n s a p i 。t l l i 作用是向m s 提 供一个临时i d 用于数据通信，n s a p 则用于提供m s 的服务质量( q o s ) 描 述参数。 m s 发起连接后，s g s n 中将创建m s 和s g s n 的关系映射表，如见表2 - 1 所示。 表2 - 1m s 连接后，s g s n 中的关系映射表 m s lt l l i = 1 n s a p i = 2 m s 2 t l l i = 2 ，n s a p i = 3 m s 3t i 工i = 3 n s a p i = 2 m s 需要激活p d p 场景，建立起与g g s n 之间的对应关系后，才能够实 现与p d n 间的通讯。m s 首先向s g s n 发送个p d p 场景激活请求，s g s n 根据m s 提供的信息和配置选择相应的g g s n ，请求该g g s n 为m s 创建p d p 场景。g g s n 与s g s n 之间建立通讯隧道，并分配有隧道标识t i d 。在保存 了t i d 、s g s ni p 地址和m s 之间的映射关系后，g g s n 向s g s n 发送确认 消息，其中包括t i d 信息和分配给m s 的p d p 地址。s g s n 向m s 发送消息， 通知其p d p 场景已经激活。同时s g s n 更新自身保存的映射关系表。 p d p 场景激活后，s g s n 中的关系映射表如表2 2 所示。 表2 - 2p d p 场景激活后，s g s n 中的关系映射表 m s lt l l l 2 1 n s a p i = 2t i d lg g s n i p m s 2t l l i = 2 n s a p i = 3 t i d 2g g s n i p m s 3t l l i 书n s a p i = 2t i d 30 g s n i p 在g p r s 系统中，m s 在p d p 场景激活时获得的p d p 地址为非法i p 地址， 如1 0 】7 5 6 。2 3 ，其在g p r s 网络之外不可寻址。g g s n 网关节点处采用了n a t 网络翻译技术，将m s 的i p 地址与该g g s n 的i p 地址和通讯端口号建立映 射关系，m s 发送数据对，在g g s n 处将数据报的源i p 地址和源端口号置换 为映射表中的i p 地址和端口号发送出去。 g g s n 中映射关系可用表2 - 3 表示。 2 4 2m s 发起( m o ) 的数据传输过程 当m s 产生i p 分组时，发送过程分成以下3 步骤进行： 电子科技大学硕士论文 1 、m s 根据t l l i 和n s a p i 信息，选择s g s n 。在原始i p 分组中加入包 含t l l i 和n s a p i 的头信息后，发送给s g s n 。 2 、s g s n 查询映射关系表，将t l l i 和n s a p i 对替换为t i d 和g g s ni p 地址对，发送i p 分组给g g s n 。 3 、g g s n 接收到i p 分组后，去除分组头信息，得到原始的i p 分组数据 报。在进行地址映射后，将该数据报发送给p d n 网络。 表2 - 3p d p 场景激活后，g g s n 中的关系映射表 m s lt l l i = 1 n s a p i = 2t i d ls g s n i pg g s ni p 十p o r t l m s 2 t l l i = 2 ，n s a p | = 3 t i d 2s g s n i pg g s ni p + p o r t 2 m s 3 t l l 仁3 ，n s a p i = 2 t i d 3s g s n i pg g s ni p + p o r t 3 2 4 3m s 终止( m t ) 的数据传输过程 外部分组数据网络向m s 发送数据的过程与m t 数据传输过程类似，也分 成3 步实现： 1 、p d n 网络的分组数据到达g g s n 后，g g s n 根据映射关系表选择相应 的s g s n 和t i d ，在原始分组数据前加入包含g g s ni p 地址、s g s ni p 地址 和t i d 的头信息，将该分组数据给s g s n 。 2 、s g s n 查询映射关系表，确定m s 的位置。s g s n 取得原始i p 分组， 加上包含t l l i 和n s a p i 信息的头信息，并将该i p 分组发送给m s 。 3 、m s 在获得i p 分组后，去除头信息即可得到相应的用户数据。 2 4 4m s 发起的终止过程 要将p d p 场景去激活，m s 首先向s g s n 发送一条去激活p d p 场景的请 求消息，其中包含n s a p i 信息。s g s n 向g g s n 发送一个删除p d p 场景的请 求消息，其中包含有t i d 信息，g g s n 删除p d p 场景后向s g s n 回复删除确 认消息，其中包含t i d 信息。此时g g s n 释放m s 正在使用的p d p 地址。s g s n 再向m s 返回一条包含了n s a p i 信息的确认消息。 2 5 基于g p r s 的应用及优点 从2 0 0 2 年5 月起，中国移动的g p r s 网络正式开始商用，其网络覆盖范 围包括了全国所有省会城市和大部分大中城市。作为移动数据业务最主要的 电子科技大学硕士论文 承载方式，与其他无线通讯方式相比，g p r s 业务具有实时传输、运营费用低、 网络覆盖范围广等优点。因此，基于g p r s 数据传输业务在多种行业中得到 了广泛应用，如用于监控、金融、车载定位等。 作为2 5 g 网络，g p r s 技术是g s m 网络由2 g 向3 g 平滑过渡的必由之 路。与2 g 相比较，其具有以下技术优势： 1 ) 、资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重 要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独 自占有无线信道。而对于分组交换模式，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。 2 ) 、实时传输 g p r s 理论上可提供最高值为1 7 1 2 k b i t s 的传输速率，这意味着g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，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。 3 ) 、运营费用低 g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了”得到多少、支付 多少”的原则。通常，传输l k 字节的数据仅需0 0 3 元，相对于短消息( s m s ) 、 拨号上网等方式而言，采用g p r s 方式能够有效降低运营费用。 4 1 、支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 本章小结 本章介绍了g p r s 的概念及其特点，以及基于g p r s 应用的优势。介绍了 通过g p r s 网络传输数据的流程。作为一种无线传输方式，g p r s 网络具有实 时传输、运营费用低、网络覆盖范围广等优点。 电子科技大学硕士论文 第三章p c o s i i 操作系统介绍 嵌入式系统【4 】通常是个专门执行某项任务的目标平台。一个完整的嵌入 式系统包括硬件平台和软件平台。其中，嵌入式操作系统是主要的软件平台。 本章首先介绍t h c o s - i i i 1 这一源码公开的嵌入式实时操作系统( r t o s ，r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的任务管理、调度、通信机制以及中断服务子程序 ( i s r ) 的实现。然后介绍了在嵌入式系统开发中使用r t o s 的必要性。 3 1i j o o s i | 介绍 p t c o s i i 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 先生撰写的嵌入式实时操作系统，读 作“m i c r ocos2 ”，意思是“微控制器操作系统版本2 ”。p c o s i i 是为 嵌入式应用编写的通用软件，其强调了诸多c p u 有共性的方面，并且将汇编 代码和c p u 硬件相关部分代码压缩到最小。i t c o s i i 具有源码公开、可移植 性、可裁剪、支持多任务和内核服务运行时间可确定等特点。自问世以来已 经在数百个领域被使用，如照相机行业、医疗器械、音响设施、发动机控制、 网络设备、自动取款机、工业机器入等等。目前，其最新版本已通过美国联 邦航空管理委员会( f a a ) 的认涯，可以应用到商业飞行器中。 作为一个实时内核，肛c o s i i 仅具有商业嵌入式实时操作系统所必须的 基本功能：任务调度、内存管理等。要想实现一个相对完整且实用的嵌入式 实时操作系统，还需要对p c o s i i 做相当多的扩展性工作。这主要包括：创 建文件系统，实现通讯协议，创建图形用户接口等。本文在p c i o s i i 下实现 了通讯协议，对其做了一定的扩展。 3 ，1 1 p c o s 1 1 的任务管理 肛c o s 1 1 支持多任务，其主要工作之一就是对任务进行管理、调度。 l _ t c o s i i 的任务管理包括在用户的应用程序中建立任务、删除任务、改变任 务的优先级、挂起和恢复任务。本节介绍了任务的基本概念以及创建和删除 任务的方法。任务调度在下一节介绍。 l - t c o s i i 任务与c 函数语言类似，具有一个v o i d 返回类型和一个参数， 只是其从不返回。实际上其就相当于一个无限的循环。任务结构的示意代码 如程序清单3 1 所示。在i _ t c o s i i 中可以同时管理的任务多达6 4 个，其中4 个最高优先级和4 个最低优先级为系统保留，用户可以使用5 6 个任务。 电子科技大学硕士论文 程序清单3 - 1 c o s 1 1 下任务结构示意 v o i dt a s k ( v o i d + p d a t a t ) f o “；) 用户代码 内核服务 用户代码 ) ) j c o s i i 中的任务可以看成由四个部分组成：应用程序本身、任务堆栈、 任务控制块( o st c b ) 以及任务优先级。 应用程序即任务代码，被烧写到f l a s h 中。 任务堆栈用于存储当前任务的c p u 寄存器内容，每个任务都有自己的堆 栈空间。堆栈必须被声明为o ss t k 类型。当任务由运行态变成其他状态时， c p u 寄存器内容被压入相应的任务堆栈。当任务由就绪态变成运行态时，则 将该任务堆栈中的内容重新加载到c p u 寄存器中。 任务控制块o st c b 是一个数据结构，当任务的c p u 控制权被剥夺时， i _ t c o s i i 用它来保存该任务的状态。o s _ t c b 结构体定义为： t y p e d e f s t r u c to s 丁c b o ss t k * o s t c b s t k p t r ；p 指向当前任务栈项的指针+ ， s t r u e t o s _ t c b* o s t c b n e x t ；+ 指向后一个任务控制块的指针+ s t m c to st c b * o s t c b p r e v ；严指向前一个任务控制块的指针+ ， # i f ( o s _ q - e n & ( o sm a x - q s = 2 ) ) jjo s _ m b o x _ e n | jo s _ s e m _ e n o s e v e n t* o s t c b e v e n t p t r ；+ 指向事件控制块的指针+ i # e n d i f o s t c b d l y ； p 任务延时节拍参数+ o s t c b s t a t ；产任务状态字+ ， o s t c b p r i o ；p 任务优先级+ o s t c b x ： o s t c b m o s t c b b i t x ： o s t c b b i t y jo s _ t c b ； 当任务重新获得c p u 使用权时，任务控制块能确保任务从被中断的那一 点丝毫不差地继续执行下去。o st c b 全部驻留在r a m 中。在任务建立的时 候，o st c b 被初始化。图3 1 为i t c o s i i 系统初始化时所有的任务块链接 成的空任务控制块的单向链表。当任务创建时，空任务控制块指针 o s t c b f r e e l i s t 指向的任务控制块就赋予该任务，然后o s t c b f r e e l i s t 的值 调整为指向链表中下一个空的任务控制块。当任务被删除时，任务控制块被 乩u u u u u u叭他髓髓他他鸭 吖m m n n 皇王型垫查兰堕圭堡奎 收回到空任务控制块链表中。 o s t c b t b l 【o s _ m a x _ t a s k s + o s _ n _ s y st a s k s 一1 芒旧 图3 - 1 空任务列表 任务的优先级是任务的标志，具有唯一性。在建立任务时，根据任务的轻 重缓急设定任务优先级。优先级越低，表示任务优先级越高。系统总是运行 进入就绪态的最高优先级的任务。在内核调度时也是根据优先级来确定任务 的。 任务具有五种状态：休眠态、就绪态、运行态、挂起态和中断态，如图 3 - 2 所示。休眠态是指任务驻留在内存中，还没有被内核所调度。就绪态意味 着该任务已经准备好可以运行了，但由于该任务的优先级比此刻正在运行的 任务优先级低，暂时还不能运行。运行态是指任务掌握了c p u 的控制权，正 在运行中。挂起态也就是等待状态，任务等待某一事件的发生，如等待某共 享资源由暂不能使用变成可以使用。中断态则是指任务正在执行时因为发生 中断，导致任务暂时不能运行，此任务就进入了被中断态，由c p u 提供相应 的中断服务。 在i x c o s i i 下开发应用程序，也就是要将应用划分成多个任务，通过任 务来实现所需的功能。因此，程序实现的第一步就是建立任务。任务可以在 多任务环境启动之前建立，也可以多任务环境启动后，由运行的任务建立。 需要注意的时，在启动多任务环境前必须至少创建了一个任务。 i t c o s i i 中提供了2 个系统函数来建立任务：o s t a s k c r e a t e 和 o s t a s k c r e a t e x t 。前者是为了与以前的i j c o s 版本保持兼容，后者则允许用户 设置更多的细节内容。本文实现中采用o s t a s k c r e a t e 函数创建任务。在建立 任务时，需要指定任务的开始地址，任务堆栈栈顶指针，以及任务的优先级。 利用o s t a s k c r e a t e 创建任务的方法如下所示： o s t a s k c r e a t e ( t a s k n a m e ， ( v o i d + ) & p r m ，( 0 5s t k + ) & t s s k s t a e k s t a c k s i z e l 】，t a s k _ i d ) ； 其中t a s k n a m e 为任务的名称，p r m 是向任务传递的参数，t a s k s t a c k 为分 配给任务的堆栈，而t a