（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的vsat室内终端设计.pdf

摘要 作为卫星通信领域的一个分支，在通信个人化的意义上，v s a t 通信系统是 一大突破，其应用也越来越广泛。但是，由于目前的v s a t 设备种类繁多、维护 工作复杂，v s a t 小站一般又会建在人烟稀少的地区，使得硬件更新换代的周期 很长。而嵌入式系统同传统的v s a t 室内终端相结合的设计方案具有高实时性和 高可靠性，向用户提供友好的人机界面，在不改变硬件设备的情况下可以实时地 改变通信系统的功能，并且可以在线远程更新f p g a 中的硬件设计，从而使v s a t 灵活谁适应各种环境。 终端硬件平台的设计采用m p c 8 2 5 0 和m o d e mb l o c k ( f p 蝴结合的办法 m p c 8 2 5 0 处理器用作支持嵌入式l i n u x 并且同客户端交互数据信息，m o d e m b l o c k 负责处理数据信息。嵌入式i 纽u x 系统负责进程调度、内存管理和提供网 络接口。在p o w e r p c 上开发嵌入式l i n u x 系统，需要交叉编译环境来移植l i n u x 内核，并且所有的应用程序也需要这个编译环境才能在p o w e r p c 上运行。应用程 序的运行是以操作硬件设备为基础的，而在1 i n u x 系统下，所有的硬件设备都被 当作文件来操作，极大地方便了应用程序的设计开发。 文章从实践的角度详细描述了基于嵌入式l i n u x 系统的v s a t 室内终端设计 过程，对今后的v s a t 系统开发将有所裨益。 关键词：嵌入式系统；l i n u x ；v s a t 室内终端 a b s t r a c t a sab r a n c ho fs a t c o md o m a i n , v s a ti sag r e a tb r e a k t h r o u g hi nt h es e n s eo f p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n , a n di t sa p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r eb r o a d b u ta tp r e s e n t , v s a te q u i p m e n t sa l ev a r i e t y , m a i n t e n a n c eo fw h i c hi sc o m p l e x a n dt h ea r e av s a t t e r m i n a lb u i l ta ti sa l m o s ta l o n gw i t hl o wp o p u l a t i o nd e n s i t y s o ，t h ep e r i o do f u p d a t i n gh a r d w a r ei sv e r yl o n g t r a d i t i o n a lv s a tm d o o rt e r m i n a lc o m b i n i n gw i t h e m b e d d e dij n u xs y s t e mw i l lh a v eh i g hc h a r a c t e r i s t i c so fr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t y f r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec a nb ep r o v i d e dt oc o n s u m e r s ，a n dc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c ec a l lb ec h a n g e dw i t h o u tr e p l a c i n gh a r d w a r ei n s t r u m e n t c o n f i g u r a t i o n f i l e sc a na l s ob ed o w n l o a d e di n t of p g ai nl o n g - d i s t a n c e i naw o r d , t h i sk i n do f v s a ti n d c o rt e r m i n a lm a ya d a p t sv a r i o u se n v i r o n m e n t s h a r d w a r ep l a t f o r mo fv s a ti n d o o rt e r m i n a la d o p t st h em e t h o do fi n t e g r a t i o no f m p c 8 2 5 0a n dm o d e mb l o c k ( f p g a ) m p c 8 2 5 0r e a l i z e ss u p p o r t i n ge m b e d d e dl i n u x s y s t e ma n dc o m m u n i c a t i n gw i t hc l i e n t f p g ai sr e s p o n s i b l ef o rd e a f i n gw i t hd a t a i n f o r m a t i o n 。e m b e d d e dl a n u xs y s t e mi si n c h a r g eo fs c h e d u l i n gp r o c e s s , m a n a g i n g m e m o r ya n dp r o v i d i n gn e t w o r ki n t e r f a c e w h i l ed e v e l o p i n ge m b e d d e dl i n u xs y s t e mo n p o w e r p c ，c r o s s m p n 盯e n v i r o n m e n ti sn e e d e df o rt r a n s p l a n t i n gl i n u xk e r n e l t h i s e n v i r o n m e n ti sa l s on e e d e df o ra p p l i c a t i o ns o f t w a r er u n n i n go np o w e r p c a p p l i c a t i o n s o f t w a r er a i l sb a s e do nc o n t r o l l i n gh a r d w a r e u n d e rl i n u x ，h a r d w a r ec a nb eo p e r a t e da s f i l e s ；i tb r i n g sc o n v e n i e n c et od e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e rd e t a i l e d l yd e s c r i b e dt h ep r o c e s so fd e s i g nv s a ti n d o o rt e r m i n a l b a s e d0 1 1e m b e d d e dl i n u xf r o mp r a c t i c ea n g l e i tw i l lb r i n gb e n e f i tt ot h ed e v e l o p m e n t o f v s a tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ；v s a th d o o rt e r m i n a l 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技 大学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地说明并表示了谢意。 本人签名日期： 2 q q 2 ：! ：5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人龆塑：红 导师签名 日期： 2 q q 2 ：! ： 日期： 2 q q 2 ：! 1 5 第一章绪论 第一章绪论 近年来，v s a t 卫星网络发展迅猛，其大面积覆盖，建站开通速度快且通信 费用与距离无关等特点是地面宽带网络所无法比拟的优势。特别是在国家的“西部 大开发”战略和“村村通”工程开始实施后，由于西部地区地广人稀，崇山峻岭，村 与村之间距离远，使v s a t 卫星通信倍受瞩目在西部地区更适合发展v s a t 卫 星通信来为金融，交通，农业，通信，能源广播电视商贸等行业提供便捷、 安全的数据通信或电子商务服务本课题即由此而来，目的是给在没有高速网络 接入的区域提供数据传榆服务，同时也为实现“村村通”工程提供一个良好的解决 平台 1 1v s a t 卫星通信系统简介 1 1 1v s a t 卫星通信系统概述 v a s t 卫星通信系统起始于二十世纪八十年代，经过不断的改进完善，在技 术上已基本成熟。v s a t 的全称是“v e r y s m a l l a p e r t u r e t e r m i n a l ”( 甚小口径终端) ， 是指天线口径小于2 5 m ，由主站应用管理软件高度监测和控制的小型地球站。” v s a t 将卫星通信终端延伸到了办公室和家庭，使卫星通信从集团通信向个体通 信转化，大大提高了卫星通信的利用率和普及率，具有许多其它通信网所无可比 拟的优势。因此，v s a t 卫星通信系统一经问世就得到迅猛发展，它已经成为现 代卫星通信的一个重要分支，有力地推动着卫星通信向多功能、智能化、设备小 型化方向发展。 v s a t 卫星通信系统一般工作在1 4 g h z ( 上行) 1 1 g h z ( 下行) 的k u 频段 或6 0 h z ( 上行) 4 g h z ( 下行) 的c 频段。通常一个v s a t 网络由一座主站和 数百个或上千个v s a t 远端小站组成，形成一个公用或专用通信网络。每一个 v s a t 远端小站可根据业务需要分别和数据、图像、话音或者计算机等终端设备 连接，从而组成功能完整的传输网络。 1 1 2v s a t 卫星通信网络的特点 与地面通信网相比，v s a t 卫星通信网具有以下特点；1 、覆盖范围大，通信 成本与距离无关；2 、可对所有地点提供相同的业务种类和服务质量( 包括误比特 !基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 率和传输时延等) ；3 、灵活性好( 多种业务可在一个网内并存，对一个站来说支 持业务种类、分配的频带和服务质量等级等可动态调整) ；4 、可扩容性好，扩容 成本低，开辟一个新通信地点所需时间短；5 、独立性好，是用户拥有的专用网， 不像地面通信网受电信部门制约；6 、互操作性好，可使采用不同标准的用户跨越 不同的地面通信网而在同一个v s a t 网内进行通信；7 、通信质量好( 有较低的 误比特率和较短的网络响应时间) 。 与传统卫星通信网相比，v s a t 卫星通信网的特点：1 、面向用户而不是面向 网络，v s a t 与用户设备直接通信而不是如传统卫星通信网中那样中间经过地面 电信网络后再与用户设备进行通信；2 、小口径天线，天线口径一般小于2 4 m ， 某些环境下可达到0 5 m ；3 、智能化( 包括操作智能化、接口智能化、支持业务 智能化、信道管理智能化等) 功能强，可无人操作；4 、低功率的发射机，一般 几瓦以下；5 、集成化程度高。 1 1 3v s a t 系统的组网方式 在v s a t 系统中，通信网络结构形式可分为星形网络、网状网络和混合网络 ! 类，它们各具特色。 ( 1 ) 星形网络一般是由一个主站和若干个v s a t 小站组成。主站除负责网络管 理控制外，还要承担各个v s a t 小站之间信息的发送与接收，即为各小站间提供 传输信道和交换功能。小站与小站之间不能直接进行通信，必须经过主站转接， 按“小站一卫星一主站一卫星一小站方式构成通信链路。由此我们看到小站之间 的链路是要两次通过卫星，经过“双跳”连通，因此具有较大的传输时延，小站之 间的用户在通话时会感到不适应。这是星形v s a t 网络链接用于通话的一个缺陷， 故而这种“双跳”传输适用于数据业务或录音电话，而不适用于实时语音业务。 ( 2 ) 网状网络同样由一个主站和若干小站组成。但是主站不再承担各个v s a t 小站之间信息的发送接收，其天线和发送设备无需太大功率。各小站之间可以按 “小站一卫星一小站”通信链路实现“单跳”通信，从而将传输时延减少至星形网络 的一半。用户在通话时还可适应。此时的主站借助于网络管理系统，负责各小站 分配信道和监控它们的工作状态。 ( 3 ) 混合网络是融星形网络和网状网络于一体的网络，集中各自有利的方式完成 链接。网中各v s a t 小站之间可以不通过主站转接，而直接进行双向通信。 不论是星状、网状或是混合的组网方式，也无论是主站还是小站，通常来说 v s a t 系统都是由室外设备、小口径天线和室内终端组成的。室外设备即射频设 备，包括上下变频器和各种放大器；室内终端包括调制解调器、编译码器等。 而在我们的系统中，我们将室外单元的上下变频模块及功放模块融入室内终 第一章绪论 端的设计之中，终端输出的射频信号可以直接经过抛物天线发射出去。因此我们 设计的室内终端相比传统的来说更具有高集成度与灵活性。 1 2 1 嵌入式系统的概念 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统，是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、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。在使用过 程中，系统内部c p u 和软件的行为并不为外界所感知，因此叫做嵌入式系统。 嵌入式系统一般是非p c 系统，它也包括硬件和软件两部分。硬件包括微处 理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器( 根据需要) 等。软件部分包括操 作系统软件( o s ) 和应用程序，有时设计人员把这两种软件组合在一起。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与硬件的交互作用。 现在，嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算 机的外部设备中就包含了5 至1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、 显示卡、网卡、调制解调器、声卡、打印机，扫描仪、数字相机、u s b 集线器等 均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、 船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式系统的应用领域。 1 2 2 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是面对专业领域的，所以不同于通用计算机系统的多样性和 适用性。它与通用计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式处理器与通用型的最大不同就是， 嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、小 体积、高集成度等特点。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，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 ) 因为嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也和具体产品 同步进行，所以，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般都具有较长的生命周期。 ( 4 ) 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 芯片或单片机之中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具各自行开发能力，即使在设计完成后，用户也不能对其 3 基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 中的程序进行修改，而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 ( 6 ) 嵌入式系统开发要求开发者具有更多的计算机以外的专业知识，并且要和各 个不同行业的应用相结合，开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。 1 2 3 嵌入式系统的组成 和通用计算机一样，嵌入式系统也由硬件和软件部分组成。 硬件部分由嵌入式处理器和外围设备组成。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件 的核心，目前世界上存在上千种具有嵌入式功能的处理器，体系结构包括m c u 、 m p u 等几十个系列。当前的嵌入式微处理器中，a r m 系列、p o w e r p c 系列处理 器最为广泛应用，这是由于它们各自的特点决定的。a r m 系列处理器价格便宜， 主要应用于手持移动终端设备上。而p o w e r p c 系列处理器主要应用在网络设备 上，因为p o w e r p c 系列处理器是双核处理器，具有专门的通信处理模块( c p m ) ， 分担了核心处理器的大部分网络处理负担，从而提高了系统的通信能力。这也是 在本终端系统中选用p o w e r p c 系列处理器的主要原因。外围设备包括f l a s h 、r a m 、 r o m 、时钟模块、电源模块等。 软件由嵌入式操作系统和应用软件等组成。嵌入式系统软件主要是嵌入式操 作系统。操作系统所具有的基本功能，如：内存管理，进程管理等，嵌入式操作 系统都具有，它是一个微型的操作系统。目前市场上使用广泛的操作系统有； v x w o r k s 、w i n d o w s 傀、l y n x 、p a l mo s 、o s - 9 、p s o s 、j h l i 、q n x 和h o p e n 等。这些操作系统都有一个共性，它们都是付费的系统，都有自己的特色。然而 对于嵌入式产品生产企业来说，付费系统会给他们带来较高的生产成本，从而压 缩了利润空间。而l i n u x 系统是一款免费的、开放的操作系统，并且开发者可以 跟据自己的需要而更改、裁减内核代码，使得系统使用起来非常灵活。嵌入式系 统软件中还有一个重要的组成部分就是应用软件，正是有了应用软件，才使得嵌 入式系统具有专业产品的特性。 1 2 4l i n u x 在嵌入式领域的应用 l i n u x 从问世至今，仅仅1 4 年，但是已经发展成为一个功能强大、设计完善 的操作系统。目前的l i n u x 已经占据了相当大的市场份额，可以与各种传统的商 业操作系统分庭抗礼。在新兴的嵌入式领域，l i n u x 同样发展迅速，就目前正在 开发的嵌入式系统中，近一半的项目选择了嵌入式l i n u x 。正是由于l i n u x 自身 的诸多优良特性，使得它在嵌入式领域取得如此大的成就。 l i n u x 在嵌入式领域的优势有： 第一章绪论 ( 1 ) l i n u x 源码可以免费使用。 相对于大多数的商业操作系统( 比如w i n d o w s 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s ) ， l i n u x 是一个免费软件，它公开源代码，不会收取许可证费用。我们可以在g p l 公约许可的范围内自由应用和发布l i n u x 。由于l i n u x 的源代码是公开的，用户 会定期交流交换详细的注释文档，这样非常有利于我们处理已经出现的问题和控 制未出现的问题。当然，专有嵌入式操作系统厂商提供的l i n u x 操作系统是不免 费的。他们在标准的嵌入式l i n u x 操作系统上集成了专业服务软件，并且针对具 体的客户开发相应的设备驱动程序。 ( 2 ) l i n u x 内核功能强大，支持多种微处理器，具有很强的可裁减性。 l i n u x 的内核功能强大，支持多种文件和图形系统。并且高效稳定性，尤其 是在网络服务器领域，这些特点已经得到了验证，几乎包含了所有的网络协议和 网络接口。l i n u x 内核小巧灵活，易于裁减定制，它支持数十种的硬件平台，几 乎支持所有流行的微处理器( 如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等) 。由 于这些不同微处理器的指令代码很多都是相通的，其差异大多在内存管理和中断 控制方面，因此移植时裁减定制仅仅局限于这些方面，所以移植后具有很好的稳 定性。 ( 3 ) l i n u x 的开发工具丰富，具有大量的参考文档。 l i n u x 提供免费的开发工具，包括c 、c + + 、j a v a 等，并且这些开发工具也 支持各种不同的微处理器结构和开发调试环境。l i n u x 下基于g n u 的工具包提供 了从编辑器到底层调试的全套交叉平台开发工具。对于l i n u x 的开发，有许多的 参考文档，这些资料很容易从网上获得，所有这些都得益于i j n u x 的自由精神。 在这个精神的引导下，成千上万的软件开发者投入到l i n u x 的开发和测试中，使 得i _ j n u x 迅速成长为一个功能强大的操作系统。 ( 4 ) l i n u x 的实时性 通用操作系统是不能用于实时嵌入式应用的，因为在多线程、多任务的环境 中，它对每个任务的处理是平等的，响应时间受到系统负载的影响。l i n u x 虽然 起初是为台式机和服务器开发的，属于通用操作系统，但它却能用于实时嵌入领 域。这里，有两种办法能够很好地解决l i n u x 的实时问题：第一，在系统中插入 实时内核；第二，改进进程调度器和设备驱动程序。在实际应用时，软件开发人 员大多采用第二种办法，根据实际应用的需要优化现有的l i n u x 代码在设法提 高l i n u x 的反应速度之前，可以先测试其实际的实时性能看是否满足来决定下一 步的修改工作。不过现有的嵌入式l i n u x 系统已经能够满足大多数具体应用的实 时性要求。软件开发人员也正在进一步优化嵌入式i j n u x 的性能，在内核和接口 两个层面上都将会有更令人鼓舞的突破。 由于嵌入式l i n u x 具有如此多的优势，因此我们的v s a t 室内终端的设计采 5 !基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 用l i n u x 作为嵌入式操作系统，而事实上，我们在开发过程中也已经体会到了嵌 入式l i n u x 的以上优势。 1 3 本课题的设计思路 本课题的主要内容是设计基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内通信终端。其最大 的特点就是将传统的v s a t 室内终端同嵌入式i j n u x 平台结合起来，利用嵌入式 软件来方便用户实时更新v s a t 系统的参数。同时，该终端一方面能支持组成大 规模的v s a t 卫星通信网；另一方面可以当作路由器来组织局域网，并且可以同 i n t e m e t 互连。极大地拓展了v s a t 卫星通信的应用前景。 在v s a t 通信系统中，系统功能主要是指信道资源的分配方式、信道传输多 址方式、调制方式、编码方式等。在我们的系统中，资源的分配采用d a m a ( d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s ) 分配方式，信道传输多址采用t d m a 方式， 调制采用目前功率利用率最高的连续相位调制( c p m ) 技术，信道编码采用r s 码编码方式。这些技术理论在本文里不作讨论。 无论是何种系统功能的实现，其参数我们都可以利用嵌入式软件来进行更改。 通过友好的人机界面，用户可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统 的运行状况，从而使该系统能适应各种应用环境，因此具有很强的适用性和灵活 性。 本课题的设计包括硬件和软件两部分。具体来说，包括如下内容： 第二章为室内终端的硬件平台设计，详细介绍了嵌入式平台、m o d e m 平台 的结构及功能。 第三章为终端系统的嵌入式软件开发环境，详细描述了交叉编译环境的建立 过程，并且简要介绍了l i n u x 内核及其在p o w e r p c 上的移植。 第四章讲述了嵌入式l i n u x 下的硬件设备驱动程序。 第五章为应用软件设计及开发实例，先介绍了本终端上应用软件的分类及功 能，然后以单频校准程序为例详细描述了如何在嵌入式l a n u x 下开发v s a t 室内 终端应用软件的流程。 第六章为结束语，对本文所做的工作做了总结，对将来的工作进行了展望。 第二章室内终端的硬件平台设计 第二章室内终端的硬件平台设计 硬件平台是整个室内终端的基础，只有熟悉了硬件平台才能进一步地开发驱 动程序和应用程序本章首先简要介绍了v s a t 室内通信终端的硬件平台，接着 分别描述了嵌入式硬件平台和m o d e m 硬件平台 2 1 硬件平台整体介绍 我们的硬件平台由嵌入式硬件平台与m o d e m 硬件平台结合而成如图2 1 所示，嵌入式硬件平台具体包括：m p c 8 2 5 0 处理器、1 0 1 0 0 m h z 网络适配器、 r s 2 3 2 适配器、f l a s h 以及s d r a m 等；m o d e m 硬件平台包括：m o d e mb l o c k ( f p g a ) 、d a 、a d 、射频前端以及高频接收端等。 以太罔 嚣试 图2 1 整体硬件平台 对于整体硬件而言，数据的发送过程为：用户p c 机的数据通过1 0 1 0 0 m 以 太网口送到m p c 8 2 5 0 中，m p c 8 2 5 0 通过p c i 总线把用户数据送到m o d e mb l o c k 中做数据信息处理，然后做d a 转化，再送到射频模块中做上变频调制，最后送 到户外设备中发射。数据的接收过程为：户外设备接收到信号之后，送到高频接 收端，经过下变频处理之后送到m o d e mb l o c k 中做数据信息处理，然后通过c p u 的以太网网口送到用户p c 机。 2 2 基于m p c 8 2 5 0 的嵌入式硬件平台 嵌入式硬件平台是围绕着m p c 8 2 5 0 处理器来搭建的，m p c 8 2 5 0 处理器作为 整个硬件平台中的控制芯片，负责嵌入式l i n u x 操作系统及应用程序的运行，并 7 8 基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 且负责同m o d e m 平台及用户p c 机之间的数据交换。 2 2 1m p c 8 2 5 0 功能及架构简介 m p c 8 2 5 0 处理器是m o t o r o l a 公司推出的一款p o w e r 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 0 i i8 2 x x 系列微处理器。m p 0 9 2 x x 系列处理器采用了嵌 入式p o w e r p c6 0 3 e 内核和通信处理模块c p m 并存的体系结构，集成了丰富的外 围器件和总线接口，将m p c 8 2 5 0 用于网络接入产品的设计可以充分利用其强大 的处理能力( c p m 主频可以到2 0 0 m h z ，p o w e r p c6 0 3 e 频率可以达到3 0 0 m h z ) 并在提高硬件集成度、降低软件开发难度的同时降低硬件成本。m p c 8 2 5 0 特别适 用于通信、网络产品。 m p c 8 2 5 0 的内部结构是基于p o w e r q u i c c l i 结构的，主要由嵌入式p o w e r p c 6 0 3 e 内核、系统接口单元s i u 和通信处理模块c p m 构成。它支持6 0 x 总线，其 数据线为“位，地址线为3 2 位；支持p c i i o c a i ，总线，其数据线为3 2 位，地 址线为3 2 位。m p c 8 2 5 0 的功能模块如图2 2 所示。 图2 2m p c 8 2 5 0 的功能模块 p o w e r p c6 0 3 e 内核完成中央处理器的功能。它与s i u 和c p m 的通信是通过 独立的指令c a c h e 和数据c a c h e 来完成的，管理存储器是通过m m u 来完成的。 p o w e r p c6 0 3 e 内核包括1 6 k b 的指令缓存、1 6 k b 的数据缓存以及命令和数据 m m u 。p o w e r p c 6 0 3 e 在内核时钟为1 0 0 m h z 时可以达到1 4 0 m 口s ( 兆指令每秒) ， 在2 0 0 m h z 时可以达到2 8 0 m i p s 。 第二章室内终端的硬件平台设计 系统接口单元s i u 包括：c p u 的复位、中断控制、配置时钟、内存访问等功 能。它的内部集成了6 0 x 总线控制器、p a i o c a i ，总线与6 0 x 总线的桥接器、存 储控制器、时钟控制单元等。m p c 8 2 5 0 的存储控制器部分集成了s d r a m 控制器， 可以通过设置寄存器即来可完成与s d r a m 的接口配置。 c p m ( c o m m u n i c a t i o np r o c e s sm o d u l e ) 是高速的通信处理模块，其中包括一个 3 2 位的r i s c 微控制器( 可以认为是除p o w e r p c 内核外的另一个c p u ) 。c p m 模块 的运行频率可以在1 0 0 - 2 0 0 m i - i z 之间。它可与p o w e r p c 内核并行工作，处理通信 控制中的底层任务，p o w c r p c 内核则主要进行高层操作。这种双处理器体系结构 功耗要低于传统体系结构的处理器。2 个内核之间通过内部存储空间进行数据交 互。 c p m 内部还包括d m a 通道、用于内部交换数据的3 2 k b 双口r a m 、中断 控制器、波特率发生器等。另外，c p m 还集成了4 个时分复用t d m 接口、3 个 媒介无关接口m i i 和非时分复用串行接口n m s i 三种物理层接口，它们之间的选 择由串行接口s i 模块控制。 c l a m 最主要的功能模块是它集成的大量可同时使用的通信控制单元，包括： 1 个多通道通信控制器m c c ，3 个快速通信控制器f c c ，4 个串行通信控制器s c c ， 2 个串行管理控制器s m c ，1 个f f c 控制器，1 个s p i 控制器【1 】o 2 2 2 嵌入式硬件平台简要描述 9 我们的嵌入式硬件平台是3 2 位地址总线，可选择配置成8 、1 6 、3 2 或6 4 位 数据总线宽度。f l a s h 和s d r a m 复接在6 0 x 总线上，用片选信号来进行选通。 p o w e r p c 内核工作主频可以配置在1 0 0 - 3 0 0 m h z ，c p m 频率可以在i o o m h z 一2 0 0 m h z ，总线速度为3 3 m h z ，p c i 总线速度可以选择3 3 m h z 或6 6 m h z 。m p c 8 2 5 0 的本地总线l o c a lb u s 被配置为p c i 总线。以太网适配芯片和r s 2 3 2 串口芯片作为嵌 入式平台中的辅助芯片承担着以太网通信和串口通信的桥接任务。 嵌入式平台的基本硬件配置如下： c p u ：晶振频率为3 3 m h z ，主频为1 9 9 m h z ，倍频参数为6 ，内部存储器映射 寄存器i m m r 基址为0 x f 0 0 0 0 0 0 0 ，串行口用s m c l 配置，串行口波特率1 1 5 2 0 0 b p s ， 总线频率为3 3 m k 。 s d r a m ：具体型号为k 4 s 6 4 3 2 3 2 f - t c l 7 0 ，容量为1 6 m b ，地址范围为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 1 0 0 0 0 0 0 ，s d i 认m 的片选信号为c s i # 。 h a s h ：具体型号为i n t e le 2 8 f 1 2 龃，a 1 2 0 ，容量为1 6 m b ，地址范围为 0 x 矸1 0 0 0 0 0 】【f f 凡邢，f l a s h 的片选信号为c s 嘴。 竺基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 2 3m o d e m 硬件平台 在m o d e m 硬件平台中，最为核心的是m o d e mb l o c k ，它负责v s a t 通信系统 中的数据信息处理并携手m p c 8 2 5 0 与用户p c 机通信。射频前端单元和高频接收端 也很重要，它们性能的好坏也会直接影响整个v s a t 通信系统。 2 3 1m o d e mb l o c k 描述 2 3 1 1m o d e mb l o c k 功能及架构介绍 1 、功能 作为m o d e m 硬件平台的核心，m o d e mb l o c k 可以被认为是我们系统中的另一 个c p u ，它具有复杂的功能。m o d e mb l o c k 是通过f p g a 来设计的，我们使用的f p g a 是x i l i n x 公司s p a r t a n 3 系列的x c 3 s 4 0 0 0 。 m o d e mb l o c k 具有很强大的功能，包括： ( 1 ) 通过p c i 总线与m p c 8 2 5 0 交换数据： ( 2 ) 将从m p c 8 2 5 0 得来的用户数据处理成v s a t 网络数据帧； ( 3 ) 将v s a t 网络数据帧还原成用户数据； ( 4 ) 发射，接收频率的调整( 与射频前端、高频接收端一起完成) ； ( 5 ) 发射机接收机的功率控制( 与射频前端、高频接收端一起完成) ； ( 6 ) v s a t 网络虚通道的实现； ( 7 ) v s a t 网络用户的管理； ( 8 ) v s a t 系统资源分配的管理。 2 、架构体系 m o d e mb l o c k 的内部架构可以分为逻辑控制模块与数据信息处理模块。 逻辑控制模块包括：时钟单元、p c i 接口单元、d r a m 控制器、t x 指令控制单 元、r x 指令控制单元和状态控制中断单元。 数据信息处理模块包括：r s 编侑 码交织解交织单元、调制滤波、解调，滤波、 发送单元及接收单元。 m o d e mb l o c k 的内部架构如图2 3 所示。 第二章室内终端的硬件平台设计 图2 3m o d e mb l o c k 的内部架构 【f ff f f f x x a 00 0 0 0 x x s 0o 咖 x x 4 00 0 x x 0 00 0 保留未用 动态数据交换空间 数据信息处理模块内存 空间 逻辑控制模块 内存空间 图2 4 删址的映射关系 逻辑控制模块各部分功能如下； ( 1 ) p c i 接口单元：负责同m p c 8 2 5 0 交换数据指令的信息，它使得m o d e mb l o c k 被m p c 8 2 5 0 看起来如同一个p c i 设备一样，但不是标准的p c i 设备，因为我们没有 用到p c i 总线里的中断信号，而且也不能创建p c i 配置信息。同时，p c i 接口只用作 墅基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 接收端，是不会向m p c 8 2 5 0 发数据的。p c i 接口单元中有一个地址映射单元，它只 是进行地址映射关系的换算，把p c i 的地址空间映射至u s i ) r a m 上去，便于d r a m 控制器把p c i 上传来的数据搬移到s d r a m 里去。s d r a m 的地址范围是 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 1 0 0 0 0 0 0 。p c i 总线的地址线是3 2 位的，其地址映射关系如图2 4 所示。 ( 2 ) 时钟单元：负责给内部各模块提供时钟，时钟单元还向外部的d a 、a d 单 元提供采样频率。其基准时钟是由f p g a 外部的恒温晶振提供的，p c i 的总线时钟 是由m p c 8 2 5 0 提供的。另外，由于发送和接收模块中还具有可变速率调整的功能， 时钟单元可以随需求实时调整时钟频率。 ( 3 ) t x 指令控制单元：提供发送链路的指令。指令是用户在p c 机通过p c i 接1 2 传 来的，存放在内存里的指令控制寄存器中。指令控制单元通过d r a m 控制器读出 指令，并将其翻译成能够被执行单元识别的命令格式。 ( 4 ) r x 指令控制单元：提供接收链路的指令过程同t x 指令控制单元相似。 ( 5 ) d r a m 控制器：负责m o d e mb l o c k 内部各模块同s d r a m 之间的信息交互。 d r a m 中存放着从p c i 传来的数据、命令、网络信息、用户信息等，也存放着数据 信息处理部分计算过程后暂时得出的结果。同样如图2 4 所示，d r a m 控制器将 s d r a m 划分为逻辑控制模块内存空间、数据信息处理模块内存空间、动态数据交 换空间和保留空间四个部分。 ( 6 ) 状态控制中断单元：负责实时监控整个系统的状态，把从指令控制器翻译 出来的命令传递给信号处理部分，并且根据系统的运行情况产生中断信号通过p c i 反馈给m p c 8 2 5 0 ，让m p c 8 2 5 0 做出相应的动作。同时，状态控制单元还根据指令 控制器中的命令向射频前端、高频接收端提供控制功率控制信号。 数据信息处理模块各部分功能如下： ( 1 ) r s 码编译码器及交织解交织单元：负责数据的r s 码编码、译码及交织解交 织。编码长度、交织深度等参数由状态控制，中断单元提供。 ( 2 ) 调制滤波：调制滤波单元根据指令控制单元提供的指令和从s d r a m 取出的 被r s 编码交织后的数据，进行连续相位调制。调制指数由指令方式来控制。 ( 3 ) 发送单元：负责根据从状态控制中断单元获取的用户信息给调制后的数据 做好标记，并且标识网络号，添加同步信息头、将数据信息组成v s a t 网络中发送 的) m a 数据帧格式，再传给射频前端模块做上变频。 ( 4 ) 接收单元：接收单元从高频接收端接收数据，先经过功率控制、时隙同步、 频率调整、分析网络号及用户信息后存入s d r a m 。 ( 5 ) 解调滤波：进行解调，并将数据存入s d r a m 等待解交织和译码。 由于我们在系统中引入了d r a m 控制器，并在设计过程中采用了流水线设计 的思想( 即把规模较大层次较多的模块分为多个级，将每一级的运算结果存入 第二章室内终端的硬件平台设计 1 3 s d r a m 中，每上一级的输出是下一级的输入而又无反馈【1 5 】) ，因此大大提高了效 率。另外，除了某些网络控制指令是需要通过数据的形式传递给射频前端发送给 其它的v s a t 终端，其它的功能都是以指令的形式传递给相应的硬件模块进行操 作，这样就从最大程度上保证了系统的高效性和灵活性。 2 3 1 2m o d e mb l o c k 的网络模型 与i s o 网络模型相类似，v s a t 室内终端的通信设备也可用网络模型来描述 具体来说可分为应用层、传输层、网络层、逻辑链路控制层、数据链路控制层、 数据链路层、物理层。如图2 5 所示。 应用层 传输层 阿络层 逻辑链路控制层 数据链路层 物理层 f t pt c i n e ts n m p a g e n t t f p t t c pu d p i p i d u0 s l l c m u 逻辑链路控制( l l c ) 层 i d u 适配层 。 以太嘲 保留保留 i d u 数据链路控制层 m p c s 2 5 0 通信层p c i 总线 图2 5v s a t 室内终端的网络模型 一一一矗五m 矗l k 传输遵磊一。一掰。锥焉 卜l l c 层卜删适配层卜踟链路层叫 歹群狴扩赫0 d e mb l o 矗接收过蠹晰秽鼍 图z 6 m o d e m b l o c k 内部各模块在网络模型中的位置 竺 基于嵌入式l i n u x 的v s a t 室内终端设计 在客户端，由于嵌入式l i n u x 系统对于网络有着很好的支持，用户通过p c 利用我们友好的控制软件可以通过u d p 获得室内终端的当前m 地址、m a c 地址， 通过t c p 向室内终端传输数据，用f r p 、t e l n e t 、s n m p 访问室内终端。 对于室内终端来说，以太网芯片工作在物理层，它接收到的数据通过 m p c 8 7 5 0 解析成口数据包( 包含用户数据、用户信息、网络标识号等) 然后经 由p c i 总线传递给我们的m o d e mb l o c k ，m o d e mb l o c k 将p 数据包进行处理后通 过射频前端发送给户外设备( o d u ) ，再送给v s a t 卫星转发器。 m o d e mb l o c k 处于网络模型中的数据链路层和逻辑链路控制层。m o d e m b l o c k 内部各模块所处于网络模型中的具体描述如图2 6 所示。 作为p c i 接口单元的一部分，m o d e mb l o c k 数据格式转换单元属于逻辑链路 控制层。完成口数据包同m o d e mb l o c k 数据之间的格式转换。 m o d e mb l o c k 的网络适配层包含数据分组瓜s 编码单元、交织单元、解交织 单元和r s 译码数据重