（光學(xué)工程專業(yè)論文）無線光通信中性能測量軟件的研究.pdf

i 摘 要 無線光通信又稱自由空間光通信，是一種無需光纖的通信技術(shù)，主要由激光發(fā)射 機(jī)、光接收機(jī)及少量的控制設(shè)備組成。作為一種無線接入方式，它綜合了光纖通信和 其它無線通信方式的特點，具有高寬帶、低成本、安裝快捷、機(jī)動靈活等優(yōu)點，因而 在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 但是在無線光通信中，由于所涉及的是隨機(jī)的大氣信道，會嚴(yán)重影響無線光通信 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置， 并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險。更加有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能管理，提供網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)質(zhì)量的驗證和控制，對服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化、比較和驗證，是網(wǎng)絡(luò)性能測量的 主要目的。 本文結(jié)合無線光通信的特點，提出了一種適用于無線光通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能測量 系統(tǒng)，具有安裝、操作方便，維護(hù)成本低等特點。并且基于嵌入式開發(fā)工具，在嵌入 式平臺的硬件和軟件選型后，進(jìn)行嵌入式硬件開發(fā)板進(jìn)行軟件平臺的搭建。本文的重 點在于網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)中的軟件設(shè)計，基于 socket 套接字的通信原理和 vc+編程技術(shù)， 實現(xiàn)了測量模塊、通信模塊、監(jiān)測模塊，控制模塊和存儲模塊等功能。最后，對論文 工作進(jìn)行了總結(jié)，并給出了進(jìn)一步改進(jìn)的建議，為基于無線光通信的網(wǎng)絡(luò)性能測量實 用化開發(fā)提供了有益的參考。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：無線光通信 網(wǎng)絡(luò)性能測量 嵌入式 套接字 ii abstract wireless optical communication, a kind of fiber-free communication technology, is also called free space optical communication (fso). it was made up of laser transmitter, optical receiver and some control equipments. as a kind of wireless access technology, wireless optical access has many virtues such as large capacity, low cost, convenient deployment and flexibility since it integrates the advantages of fiber communication and other traditional wireless communication technologies. however, the channel of wireless optical communication is atmosphere channel, which will badly affect the stability and reliability of the wireless optical communication. the main purposes of performance measurement are to detect the bottleneck of the network, optimize the network deployment, to discover the potential risks, to get more effective performance management, to provide the validation and control of the service quality in network, and thus to validate, compare and measure the indicators of service quality. combination of the characteristics of wireless optical communication, this paper introduces a design idea of network performance measurement system, which is used in wireless optical communication system and is expediently fixed and manipulated. based on the embedded hardware development board, we structured a special software platform for this system. the important point is the design of the network performance measurement system in software. this paper include the implementation of measurement module, communication module, stakeout module, control module and storage module based on socket communication and vc+ program technology. finally, the work of this paper and some specific advices were summarized, which pave well the way for the practical development. key words: wireless optical communication network performance measurement embedded socket 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已 在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密， 在 年解密后適用本授權(quán)書。 不保密。 （請在以上方框內(nèi)打“” ） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本論文屬于 1 1 緒論 1.1 無線光通信的發(fā)展 近年來，隨著全球通信網(wǎng)絡(luò)開始大規(guī)模擴(kuò)容，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在全球 范圍內(nèi)已經(jīng)取得了巨大的成功，無論在用戶數(shù)量還是業(yè)務(wù)量方面，都始終保持著高速 增長的勢頭。但是，從用戶接入運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)的手段來看，傳統(tǒng)的窄帶電路接入， 如 pstn(公用交換電話網(wǎng))接入方式，仍然占據(jù)著主要地位。接入帶寬成為制約高速上 網(wǎng)和寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的主要瓶頸，這就是通信技術(shù)上的“l(fā)ast mile”問題。提起更高速 度的寬帶接入方式，當(dāng)前主要限于光纖、寬帶無線接入 lmds(local multipoint distribution service)、以及 dsl(digital subscribe line)等。如何提供快速、低價的寬帶 接入方式，成為迫切需要解決的問題1。而此時，有一種寬帶無線接入技術(shù)逐漸開始引 起人們注意，它就是光無線寬帶接入系統(tǒng)，也稱為無線光通信(wireless optical communication)系統(tǒng)或是自由空間光通信(free space optical communication)系統(tǒng)2。 光通信經(jīng)歷了無線光通信和光纖通信兩個重要的發(fā)展階段，早期的無線光通信曾 掀起了世界性的研究熱潮，但當(dāng)時的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身 的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙其進(jìn)一步的發(fā)展。隨著近年來連續(xù)波大功率半導(dǎo)體 激光器技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光波窄帶濾波技術(shù)、光源穩(wěn)頻技術(shù)、信號壓縮編碼技 術(shù)和光學(xué)天線的設(shè)計制作及安裝校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，無線光通信重新浮出了水面。 作為 2006 年 10 大電信熱點技術(shù)，無線光通信將是今后構(gòu)筑電信網(wǎng)不可或缺的一項技 術(shù)，目前可以實現(xiàn)的最高傳輸速率已達(dá) 2.5gbps3。 無線光通信是利用光束通過大氣空間，而不是通過光纖來傳送信號。這種技術(shù)能 以較靈活的無線方式，在短距離內(nèi)，以比現(xiàn)有系統(tǒng)低得多的投資，獲得大的傳送容量。 在不便于光纖鋪設(shè)的環(huán)境或臨時事件需要，可作為一種新的選擇。在氣候條件較好的 城市的高層建筑之間以及軍事上也有其使用價值。光無線接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光 纖傳輸系統(tǒng)非常相似，物理組成也是非常簡單的。光無線接入系統(tǒng)的基本組成如圖 1.1 所示：在點對點傳輸?shù)那闆r下，系統(tǒng)每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，具有全雙工 的通信能力。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號的調(diào)制，并通過光學(xué)天線，將光信號經(jīng)過大 2 氣空間送到接收端的光學(xué)天線。具有高靈敏度的光接收機(jī)，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成 電信號。光無線接入系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端之間不能有阻擋。 圖 1.1 無線光通信系統(tǒng)基本組成 1.2 無線光通信的特點及關(guān)鍵技術(shù) 1.2.1 無線光通信的特點 將高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨大的接 入系統(tǒng)。如何提供快速、低價的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題。無線光通信作 為寬帶無線接入方式之一，具有許多其他接入方式無可比擬的優(yōu)點，成為未來寬帶無 線接入的備選方案之一。無線光通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點有以下幾個方面： (1) 無需申請頻率使用許可證，頻譜資源豐富。目前無線通信方式的頻段基本被分 配占有，空間發(fā)展余地所剩無幾，而 300ghz 以上頻率電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不 受管制，可免費使用，唯一的要求是設(shè)備功率不能超過國際電子技術(shù)委員會規(guī)定的功 率上限。據(jù)國際激光應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn)，半導(dǎo)體激光器的功率在大氣無線光通信中一般 要求在 class 3b 以下，即500mw。 (2) 擁有光纖傳輸?shù)牡刃ё饔谩＠碚撋?，無線大氣光通信的傳輸帶寬與光纖通信的 傳輸帶寬相同，只是光纖通信中光信號在光纖介質(zhì)中傳輸，而無線大氣光通信的光信 光 學(xué) 收 發(fā) 天 線 以 太 網(wǎng) 終 端 接 口 電 路 編碼器 解碼器 驅(qū)動調(diào)制模塊 放大調(diào)制模塊 光電探測器 半導(dǎo)體激光器 網(wǎng)卡 光 學(xué) 收 發(fā) 天 線 以 太 網(wǎng) 終 端 接 口 電 路 編碼器 解碼器 驅(qū)動調(diào)制模塊 放大調(diào)制模塊 光電探測器 半導(dǎo)體激光器 網(wǎng)卡 3 號在大質(zhì)中傳輸，因此也被稱為“虛擬光纖”通信技術(shù)。 (3) 快速鏈路部署，建網(wǎng)速度快。無線大氣光通信系統(tǒng)建設(shè)通信網(wǎng)的速度快，無需 埋設(shè)光纖，只需在通信節(jié)點上進(jìn)行設(shè)備安裝，為快速構(gòu)建寬帶網(wǎng)絡(luò)以及搶占市場和客 戶資源提供了極好的解決方案， 適合于臨時通信和復(fù)雜地形中緊急組網(wǎng)， 如搶險救災(zāi)、 大型運(yùn)動會、戰(zhàn)地通信等。 (4) 組網(wǎng)靈活，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。可構(gòu)建包括點對點、點對多點、環(huán)/網(wǎng)狀或這些結(jié)構(gòu) 的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)添加其它節(jié)點時，無線光通信的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)無需改變，只要 改變節(jié)點數(shù)量和配置即可，這使得無線大氣光通信易于擴(kuò)容升級，成為一種適應(yīng)性很 強(qiáng)的通信方式。 (5) 協(xié)議具有透明性。無線大氣光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備，可適應(yīng)即 不依賴于任何通信協(xié)議，如 sonet、sonet/sdh、atm、fddi、ip 等，以光為傳 輸機(jī)制，任何傳輸協(xié)議均可容易地迭加上去，透明傳輸電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 (6) 傳輸安全， 保密性好。 激光的直線定向傳播方式使它的發(fā)射光束窄、 方向性好、 不可見，很難在空中發(fā)現(xiàn)一條業(yè)務(wù)鏈路4。因此，無線光通信系統(tǒng)比通常的無線系統(tǒng) 有較高的安全系數(shù)，對于軍事系統(tǒng)來說這點是極其重要的。 (7) 抗電磁干擾能力強(qiáng)。由于激光的頻率極高，不易受到周圍各種電磁波的干擾， 因此抗干擾性好。尤其在軍事電子對抗的時候，無線大氣光通信系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾 下快速、準(zhǔn)確、正常地通信。 (8) 設(shè)備尺寸小。由于光波波長短(約零點幾微米到幾十微米)，在同樣功能情況下， 光收發(fā)終端的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重 量輕、可靈活拆裝等特點。 (9) 實施成本相對低廉。無需進(jìn)行昂貴的光纖鋪設(shè)和維護(hù)等管道工程施工，其施工 成本約為光纜的 1/101/3。尤其適合于邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊地區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。 大氣傳輸信道的自身特性決定了無線光通信不可能獲得光纖通信所具有的通信質(zhì) 量。無線光通信的主要缺點是受信道環(huán)境影響大。目前測試表明，在 1 公里以下無線 光通信系統(tǒng)才能獲得最佳的效率和通信質(zhì)量5。另外，由于光束的傳輸不能受到阻擋， 飛鳥等也會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的另外兩個因素是大風(fēng)和地震。由于 4 系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備一般都安裝在高樓之上，大風(fēng)引起建筑物的晃動或地震都會造成光路 的偏移。 實際上，經(jīng)過多年的探索，也逐漸找到了解決問題的辦法。首先是大氣介質(zhì)對 光信號的衰減。波長為 850nm 和 1550nm 的光信號，主要的衰減來自霧。如 780nm 的激光在極端晴朗天氣條件下的衰減系數(shù)只有 0.2db/km(與單模光纖在 1550nm 的損 耗相同)，輕霧只有每公里 50 分貝的損耗，濃霧時可高達(dá)每公里 315 分貝6。對于 這種大氣現(xiàn)象處理的方式與微波通信中對待雨衰相似，要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒袨楣?信號的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在因為濃霧而出現(xiàn)最大衰減的情況下， 系統(tǒng)仍能接收到滿足靈敏度要求的光信號功率。實用的無線光通信系統(tǒng)還需要保證 收發(fā)兩點之間光信號良好的準(zhǔn)直穩(wěn)定，使發(fā)送的光信號在接收端的光斑能夠覆蓋接 收天線，不會因為大氣折射率的起伏而偏離目標(biāo)。為此需要有意使發(fā)射光束展寬。 還有一些產(chǎn)品，采用動態(tài)調(diào)節(jié)的跟蹤技術(shù)，不僅能應(yīng)付由大氣引起的漂移，還可以 在系統(tǒng)端機(jī)所在的建筑物輕微擺動時，保持信號的穩(wěn)定。此外，激光信號對人體安 全的威脅，也一直受到人們的關(guān)注7。所以，無線光通信系統(tǒng)要架在高樓之類不易 接觸到的地方。 1.2.2 無線光通信的關(guān)鍵技術(shù) 無線光通信的優(yōu)點在于信息量大、方向性好、發(fā)散角小、光能集中、設(shè)備輕便、 費用經(jīng)濟(jì)等，但它存在的固有缺點主要有：大氣傳輸損耗嚴(yán)重、光束窄導(dǎo)致發(fā)射接收 之間瞄準(zhǔn)困難、光束傳播不能超越障礙等。所以就無線大氣光通信這種技術(shù)本身而言， 存在一些有待解決或改進(jìn)的關(guān)鍵性技術(shù)問題： (1) 大氣信道衰減大及誤差隨機(jī)變化量大的自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)問題； (2) 系統(tǒng)光學(xué)天線的快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)(atp)； (3) 如何減弱不良的天氣條件對系統(tǒng)通信性能的影響，提高系統(tǒng)可靠性； (4) 大功率光源及高速調(diào)制技術(shù)； (5) 高靈敏度和高抗干擾性的光信號接收技術(shù)； (6) 背景噪聲的濾除技術(shù)； (7) 體積小、重量輕、光學(xué)特性好、便于安裝和調(diào)校的光學(xué)收發(fā)天線的制作。 5 1.3 無線光通信的國內(nèi)外研究 1.3.1 國外研究概況 在國外， 無線光通信已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點， 美國 telecommunication 雜志每年都要評選一次本年度電信領(lǐng)域十大熱門技術(shù)，無線光通信在 2001 年公布的十 大熱門電信技術(shù)中排名第四8， 說明這種技術(shù)已經(jīng)得到越來越廣泛的重視和認(rèn)可。 spie 協(xié)會的free space laser communication technologies文集中已開始有大量的文章討 論無線光通信，從 1998 年開始，spie 專門組織了無線光通信(wireless optical communication)會議， 每年召開一次并出版會議文集。 無線光通信也逐漸在全球通信制 造業(yè)中熱起來，例如，美國軍方支持的噴氣動力實驗室(jpl)在 1999 年做了一項相距 45 公里的水平無線光鏈路實驗9，其用了 4 個 780nm 信標(biāo)光建立鏈路，用 840nm 激光 進(jìn)行通信， 在2000米高空， 空氣質(zhì)量4級的情況下進(jìn)行通信。 美國軍方支持的astro terra 公司以前一直從事衛(wèi)星光通信，現(xiàn)在投入很大精力進(jìn)行無線光通信的研究并且推出了 自己的產(chǎn)品 terralink，它能提供通信距離為 8 公里、全雙工、協(xié)議透明、碼率達(dá)到 230mbps 的通信能力，以及 622mbps，3.5 公里的通信能力，另外還采用了自動跟蹤技 術(shù)以補(bǔ)償建筑物的搖擺10。lucent 公司在 1999 年做了相距 2.4 公里碼率為 2.5gbps， 波長為 1550nm 的無線光通信實驗，2000 年做了 40gbps 密集波分復(fù)用 4.4 公里無線光 通信實驗11。 它采用 astro terra 公司設(shè)計的接收、 發(fā)射共用 schmidt-cassegrain 望遠(yuǎn)鏡 的光學(xué)天線。發(fā)射端由三個 1550nm 波長激光器和一個 785nm 的信標(biāo)光激光器組成， 信號光通過摻鉺光纖放大，輸出功率高達(dá)27dbm，接收端通過接收光學(xué)天線將光功 率耦合到光纖中再接入 apd。2001 年，lucent 公司做了目前通信容量最大的無線光通 信系統(tǒng)12，采用光纖放大器，可以在 200m 的通信距離實現(xiàn) 20gbps 到 160gbps 碼率的 數(shù)據(jù)通信，其采用的發(fā)散角是 0.5mrad，接收孔徑為 20cm。目前，將無線光通信系統(tǒng) 成功應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)比較典型的公司有 terabeam 和 airfiber。 1.3.2 國內(nèi)研究概況 在國內(nèi)，無線光通信的研究還處于初級階段，大多數(shù)研究集中在大學(xué)和研究 所13 17。1999 年 8 月上海光機(jī)所在全國第九次光纖通信暨第十屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議 6 上報導(dǎo)已研制出 34mb/s 無線光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 800nm 紅外半導(dǎo)體激光器，激 光功率為 40mw，接收端機(jī)的核心是硅 pin 管，在 2km 的傳輸距離上誤碼率優(yōu)于 10-9。 在 2000 年 11 月中國(湖北)科技博覽會上， 該所報導(dǎo)的激無線光通信系統(tǒng)傳輸速率已提 高到 155mb/s。桂林信息產(chǎn)業(yè)部第 34 研究所于 1999 年研制出一個近地 4km 的激光大 氣通信機(jī)。通信光源采用波長為 850nm 的半導(dǎo)體單模量子阱激光器，系統(tǒng)兼容 128/56/512/1024/2048 kb/s 速率。系統(tǒng)進(jìn)行了長達(dá) 360 小時的戶外開通試驗，這其中經(jīng) 歷了大霧、大雨、小雨、晴天等天氣變化，試驗結(jié)果表明，除能見度極低的大霧天氣 外，通信系統(tǒng)都能正常工作，通信質(zhì)量良好。此外，電子科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所對 無線光通信系統(tǒng)專門進(jìn)行了 atp 技術(shù)的研究，采用雙回路控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度的跟蹤 瞄準(zhǔn)。實驗選用功率為 5w 的 co2激光器作光源，傳輸速率為 8.448mb/s，通信距離為 1.6km，由實驗測試的誤碼率數(shù)值表明系統(tǒng)能實現(xiàn)對目標(biāo)的精確跟蹤。國內(nèi)光無線寬帶 接入系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用在 2002 年以前還沒有先例。2001 年 12 月，清華同方研究發(fā)展中 心致力于“l(fā)ast mile”解決方案的探索，成立了“fso 技術(shù)跟蹤研究小組”，2002 年 8 月，完成了 1000 米點到點通信樣機(jī)的檢測。2002 年 9 月清華同方網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品公司對外 宣布， 在無線光通信領(lǐng)域， 該公司推出了光無線鏈路的自由空間通信產(chǎn)品 owlink e100 系列。該產(chǎn)品的研制成功是國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商在光無線領(lǐng)域的一次重大突破，給國內(nèi) 的無線網(wǎng)絡(luò)接入市場注入了新的活力。 1.4 本文的主要內(nèi)容和意義 激光束在大氣中傳輸時，會受到霧、雨、雪、煙、塵等顆粒的吸收和散射而產(chǎn)生 衰減，并且其衰減量變化是無法預(yù)知的。盡管激光的定向性很好，但波束還是會隨傳 輸距離的增加而慢慢變寬，超過一定距離后就難以被正確接收。另外，由于光束的傳 輸不能受到阻擋，飛鳥等也會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。隨著時代的發(fā)展，為了使無線光通信 得到更廣泛的應(yīng)用，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多方法克服這些缺點，例如采用波長為 850nm 和 1550nm 的光信號可以得到最低的衰減性能18； 保留一定的系統(tǒng)功率余度； 發(fā)展 apt 即自動跟蹤捕獲技術(shù)等等。 使用簡單的網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)，可以更好的利用這些技術(shù)來改善無線光信道的通 信質(zhì)量。通過使用網(wǎng)絡(luò)性能測量，能夠得到實時的無線光信道的通信情況，并將這些 7 情況傳送到服務(wù)器終端。終端可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)判斷通信質(zhì)量，來調(diào)節(jié)信道參數(shù)改 善信道的通信質(zhì)量，實現(xiàn)信道的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 本文的主要內(nèi)容組織如下： 第一章概述了無線光通信的發(fā)展?fàn)顩r，特點，關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外研究情況。 第二章提出了基于無線光通信的網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)，并闡述系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計 思路。引入網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念，介紹了包括網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念，性能指標(biāo)，測量 方法。 第三章主要介紹了嵌入式平臺的選型工作，硬件開發(fā)板選擇的是優(yōu)龍公司生產(chǎn)的 fs4510b；嵌入式操作系統(tǒng)選用的是基于 linux 核心的 uclinux。 第四章完成了系統(tǒng)的嵌入式軟件平臺搭建，也就是在現(xiàn)有的嵌入式開發(fā)板上進(jìn)行 uclinux 的裁剪和移植工作。 第五章是本文的重點，詳細(xì)敘述了網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)過程，重點介紹 了軟件功能中的測量模塊和通信模塊的實現(xiàn)。并且進(jìn)行軟件測試證明系統(tǒng)功能齊全和 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第六章對全文進(jìn)行總結(jié)，包括工作內(nèi)容和對不足進(jìn)行改良的建議，為基于無線光 通信的網(wǎng)絡(luò)性能系統(tǒng)進(jìn)一步實用化開發(fā)提供了有益的參考。 8 2 網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)設(shè)計 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)性能測試系統(tǒng)是本文提出的一種應(yīng)用于無線光通信系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測量的 嵌入式設(shè)備，作為無線光通信系統(tǒng)的一個附加功能。 無線光通信的主要缺點是受信道環(huán)境影響大。由于無線光通信中存在許多不穩(wěn)定 的因素，無線光通信鏈路會受到不規(guī)則的間斷性干擾。而本課題所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)性能測 試系統(tǒng)的就是為了判斷這種不規(guī)則的間斷性干擾而進(jìn)行的實時測量；實時測量的數(shù)據(jù) 提供給網(wǎng)絡(luò)終端，終端會通過調(diào)節(jié)無線光通信設(shè)備的參數(shù)(最常見方法的就是增加激光 發(fā)射功率)來實現(xiàn)信道的穩(wěn)定，消除這種不規(guī)則的間斷性干擾對通信質(zhì)量的影響，實現(xiàn) 自適應(yīng)的穩(wěn)定信道質(zhì)量。 無線光通信系統(tǒng)總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 無線光通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)是一個嵌入式設(shè)備，擁有兩個網(wǎng)絡(luò)控制芯 片，分別連接著有線網(wǎng)絡(luò)和光無線信道。嵌入式設(shè)備對光無線通信的信道進(jìn)行性能測 量，并將統(tǒng)計的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到有線網(wǎng)絡(luò)端的服務(wù)器進(jìn)行存儲。 硬件方面， 網(wǎng)絡(luò)性能測試系統(tǒng)采用一個基于 arm 微處理器的嵌入式系統(tǒng)平臺， 具 9 有較強(qiáng)的處理能力。arm 微處理器是一種領(lǐng)先的 16/32 位嵌入式 risc 微處理器，具 有高性能、低成本和高效率的特點。arm 微處理器已經(jīng)支持網(wǎng)絡(luò)功能，目前應(yīng)用廣泛 的 arm7 和 arm9 微處理器均設(shè)計有以太網(wǎng) mac 控制器芯片，十分適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用。 軟件方面，可以在 arm 微處理器上安裝嵌入式 uclinux 操作系統(tǒng)，用來管理應(yīng)用 程序和硬件設(shè)備。由于 uclinux 操作系統(tǒng)采用的 linux 的內(nèi)核，能夠方便的開發(fā)出適用 于網(wǎng)絡(luò)性能測試的應(yīng)用程序。并且適合用于今后進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用。 2.2 系統(tǒng)設(shè)計 整個網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的設(shè)計是基于嵌入式開發(fā)來進(jìn)行的，工作步驟分為三步： 嵌入式軟硬件平臺選型，嵌入式開發(fā)平臺搭建，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)圖如下圖 2.2 所示。 圖 2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 在本系統(tǒng)中，由于嵌入式設(shè)備沒有顯示功能和大的存儲空間，因此，需要將統(tǒng)計 的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)，利用 socket 通信技術(shù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。在本例中采用簡單的 client/server 結(jié)構(gòu)(c/s 結(jié)構(gòu))，在嵌入式開發(fā)板上編寫 linux 平臺的客戶端程序，在服務(wù) 器上編寫 windows 平臺的服務(wù)器端程序，將客戶端嵌入式開發(fā)板上統(tǒng)計的測量結(jié)果傳 嵌入式硬件平臺嵌入式硬件平臺 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 測量模塊 通信模塊 數(shù)據(jù)庫 通信模塊 監(jiān) 測 模 塊 控 制 模 塊 存 儲 模 塊 客戶端客戶端 服務(wù)器端服務(wù)器端 圖形化界面 10 送到服務(wù)器端，并用數(shù)據(jù)庫存儲。 在客戶端，測量模塊是向無線光通信系統(tǒng)的另一端發(fā)送測量數(shù)據(jù)包來進(jìn)行主動的 單點測量。通信模塊是則是利用 socket 技術(shù)和服務(wù)器進(jìn)行通信，提供測量數(shù)據(jù)。 在服務(wù)器端，監(jiān)視模塊通過 socket 通信接收客戶端信息，實時顯示測量信息；控 制模塊可以控制客戶端測量的開始；存儲模塊將測量結(jié)果存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。 2.3 網(wǎng)絡(luò)性能測量介紹 無線信道有多種模型，特別在無線通信系統(tǒng)中，信道一般為衰落型信道，即信道 的時域沖激響應(yīng)函數(shù)的幅度呈起伏特性19。為簡化討論，假設(shè)只用“好”與“壞”兩 狀態(tài)模型描述信道的特性就足夠了。由于無線光通信系統(tǒng)的先天性特點，當(dāng)大氣信道 質(zhì)量出現(xiàn)起伏時，為了保證行到出于“好”的狀態(tài)，需要提高激光發(fā)射功率或者其他 手段來保證通信質(zhì)量。因此對無線光通信系統(tǒng)進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)性能測試可以給維持網(wǎng) 絡(luò)通信質(zhì)量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念 (1) 網(wǎng)絡(luò)性能的概念 網(wǎng)絡(luò)性能可以采用以下方式定義20：網(wǎng)絡(luò)性能是對一系列對于運(yùn)營商有意義的， 并可用于系統(tǒng)設(shè)計、配置、操作和維護(hù)的參數(shù)進(jìn)行測量所得到的結(jié)果?？梢姡W(wǎng)絡(luò)性 能是與終端性能以及用戶的操作無關(guān)的，是網(wǎng)絡(luò)本身特性的體現(xiàn)，可以由一系列的性 能參數(shù)來測量和描述。 (2) 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的概念 對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行度量和描述的工具就是網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。ietf 和 itu-t 都各自定義 了一套性能參數(shù)，并且還在不斷的補(bǔ)充和修訂之中。 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的制定必須遵循如下幾個原則21： 1) 性能參數(shù)必須是具體的和有明確定義的； 2) 性能參數(shù)的測量方法對于同一參數(shù)必須具有可重復(fù)性，即在相同條件下多次使 用該方法所獲得的測量結(jié)果應(yīng)該相同； 3) 性能參數(shù)必須具有公平性，即對同種網(wǎng)絡(luò)的測量結(jié)果不應(yīng)有差異而對不同網(wǎng)絡(luò) 11 的測量結(jié)果則應(yīng)出現(xiàn)差異； 4) 性能參數(shù)必須有助于用戶和運(yùn)營商了解他們所使用或提供的 pi 網(wǎng)絡(luò)性能； 5) 性能參數(shù)必須排除人為因素； 2.3.2 性能指標(biāo)的測量與分析 (1) 連接性 連接性也稱為可用性、連通性或者可達(dá)性，嚴(yán)格說應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩裕?不能稱為性能，但 itu-t 建議可以用一些方法進(jìn)行定量的測量22。目前還提出了連通 率的概念，根據(jù)連通率的分布狀況建立擬合模型。 (2) 延遲 延遲的定義23是：ip 包穿越一個或多個網(wǎng)段所經(jīng)歷的時間。延遲由固定延遲和可 變延遲兩部分組成。固定延遲基本不變，由傳播延遲和傳輸延遲構(gòu)成；可變延遲由中 間路由器處理延遲和排隊等待延遲兩部分構(gòu)成。對于單向延遲測量要求時鐘嚴(yán)格同步， 這在實際的測量中很難做到，許多測量方案都采用往返延遲，以避開時鐘同步問題。 往返延遲的測量方法是：入口路由器將測量包打上時戳后，發(fā)送到出口路由器。 出口路由器一旦接收到測量包便打上時戳，隨后立即使該數(shù)據(jù)包原路返回。入口路由 器接收到返回的數(shù)據(jù)包之后就可以評估路徑的端到端時延。 (3) 丟包率 丟包率的定義是24：丟失的 ip 包與所有的 ip 包的比值。許多因素會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包 在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時被丟棄，例如數(shù)據(jù)包的大小以及數(shù)據(jù)發(fā)送時鏈路的擁塞狀況等。 為了評估網(wǎng)絡(luò)的丟包率，一般采用直接發(fā)送測量包來進(jìn)行測量。對丟包率進(jìn)行準(zhǔn) 確的評估與預(yù)測則需要一定的數(shù)學(xué)模型。目前評估網(wǎng)絡(luò)丟包率的模型主要有貝努利模 型、馬爾可夫模型和隱馬爾可夫模型等等。 (4) 帶寬 帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。 瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑(通路)中沒有其它背 景流量時， 網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量。 對瓶頸帶寬的測量一般采用包對(packet pair) 技術(shù)，另外，還有包列等其它測量技術(shù)。 可用帶寬25是指在網(wǎng)絡(luò)路徑(通路)存在背景流量的情況下， 能夠提供給某個業(yè)務(wù)的 12 最大吞吐量。因為背景流量的出現(xiàn)與否及其占用的帶寬都是隨機(jī)的，所以可用帶寬的 測量比較困難。一般采用根據(jù)單向延遲變化情況可用帶寬進(jìn)行逼近。 瓶頸帶寬反映了路徑的靜態(tài)特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時間內(nèi)鏈路的 實際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。 (5) 流量參數(shù) itu-t 提出兩種流量參數(shù)26作為參考：一種是以一段時間間隔內(nèi)在測量點上觀測 到的所有傳輸成功的 ip 包數(shù)量除以時間間隔， 即包吞吐量； 另一種是基于字節(jié)吞吐量， 用傳輸成功的 ip 包總字節(jié)數(shù)除以時間間隔。 高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得對巨大的網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行直接測量幾乎不可能，同時，大 量的流量日志也使流量分析變得相當(dāng)困難。為了解決這一問題，近幾年，流量抽樣測 量研究已成為高速網(wǎng)絡(luò)流量測量的研究重點。 2.3.3 網(wǎng)絡(luò)性能測試方法 (1) 主動測量和被動測量 主動測量27就是通過向網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器或應(yīng)用發(fā)送測試流量，以獲取與這些對象相 關(guān)的性能指標(biāo)。其主要優(yōu)點是不依賴于被測對象的測量能力，且對硬件要求不高；但 另一方面，這種測量方式會給網(wǎng)絡(luò)增加額外的通信流量，在一定程度上也可能影響測 量的結(jié)果。 被動測量是通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信狀況(例如服務(wù)器的性能、資源使用，用戶端的業(yè)務(wù) 性能，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)等)進(jìn)行的，不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，但它必須依賴測量鏈 路上的通信流量或被測節(jié)點的負(fù)載情況，且對硬件性能的要求高。 因此,在很多情況下，網(wǎng)絡(luò)性能測量是采用主、被動混合的測量方式，即主動測量 和被動測量都是結(jié)合著進(jìn)行的。 (2) 單點測量和多點測量 從測量點的數(shù)量來分，網(wǎng)絡(luò)性能測量可分為單點測量和多點測量28。單點非合作 測量具有相當(dāng)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)探測能力，在研究初期，許多工作都采用單點測量。但由于單 點測量能力有限，搜集的信息不全面，分布式多點測量應(yīng)運(yùn)而生，尤其是多點主動測 量，利用多個探測點得到的數(shù)據(jù)，能夠綜合出大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和單點所得不到的交 13 叉路由信息。 (3) 網(wǎng)絡(luò)層測量與應(yīng)用層測量 應(yīng)用層測量可以使我們對整個應(yīng)用的性能有一個清楚的認(rèn)識，也能提供客戶機(jī)和 服務(wù)器之間、網(wǎng)絡(luò)鏈路之間的性能參數(shù)，但它很難從低層測量數(shù)據(jù)中綜合分析得到測 量結(jié)果。應(yīng)用層測量常用于對不同提供商提供的業(yè)務(wù)進(jìn)行性能比較，對于基于網(wǎng)絡(luò)平 臺的各種業(yè)務(wù)，其應(yīng)用層性能的測量正變得越來越重要。隨著通信過濾技術(shù)的使用日 益廣泛， 對 internet 服務(wù)提供者(isp)提供的骨干網(wǎng)一般采用網(wǎng)絡(luò)層測量，以評估其提供 的網(wǎng)絡(luò)鏈路或路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能29。 (4) 采樣技術(shù) 在網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)測數(shù)據(jù)包，其目標(biāo)是通過測量實時監(jiān)測通信狀況，不因任何原因錯過 任何數(shù)據(jù)包。但隨著通信速率的日益提高，這個目標(biāo)變得越來越難以實現(xiàn)。因此，必 須對數(shù)據(jù)包進(jìn)行采樣。常用的采樣方法是周期性采樣，它遵循“采樣頻率必須大于所 采樣信號最高頻率的兩倍”的定理30。但這種方法可能受同步效應(yīng)的影響，即當(dāng)被測 量的指標(biāo)的變化規(guī)律與采樣頻率同步時，采樣數(shù)據(jù)只能部分反映真實的測量數(shù)據(jù)。當(dāng) 采取主動測量時，測量發(fā)出的測試流量對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響，使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入一種周期性變 化狀態(tài)時，這時也可能發(fā)生同步效應(yīng)。因此,常采用隨機(jī)附加采樣的解決算法。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的日益更新，基于特定應(yīng)用的性能測量與分 析，更成為今后網(wǎng)絡(luò)性能研究的重要內(nèi)容。而隨著網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)理論、測量方法、分 析模型研究的逐漸深入、各種測量工具的不斷出現(xiàn)，以及大型測量項目的不斷開展， 也會不斷地推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向前發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)性能的評估是一項復(fù)雜的工作，還有許多關(guān) 鍵技術(shù)值得研究。 2.4 socket 通信介紹 tcp/ip 是計算機(jī)互連最常使用的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，tcp/ip 的核心部分由網(wǎng)絡(luò)操作系 統(tǒng)的內(nèi)核實現(xiàn)，應(yīng)用程序通過編程接口來訪問 tcp/ip。套接字(socket)是介于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 層和傳輸層之間的編程接口，套接字接口提供了訪問下層通信協(xié)議的大量系統(tǒng)調(diào)用和 相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在 linux 中，套接字接口是應(yīng)用程序訪問下層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的惟一方 法。具體講：套接字在用戶級實現(xiàn)了兩個應(yīng)用程序之間的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交換，所以 14 linux 中的套接字意味著網(wǎng)絡(luò)上的連接。 socket 分為以下三種類型31: (1) 流式套接字(stream socket)。流式套接字是最常用的套接字類型，文件傳送協(xié) 議(ftp)即使用流式套接字。 它提供一個面向連接、 可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， 數(shù)據(jù)無差錯、 無重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)流超限；數(shù)據(jù)被看作是字 節(jié)流，無長度限制。 (2) 數(shù)據(jù)報套接字(datagram socket)。tcp/ip 協(xié)議族中的 udp 協(xié)議使用此類接口， 它是無連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進(jìn)行傳輸，提供一個無連接服務(wù)。數(shù)據(jù) 包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。 (3) 原始套接字(raw socket)。原始套接字接口允許對較低層協(xié)議，如 ip、icmp 直接訪問。常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)或訪問。 2.5 小結(jié) 本章首先給出了系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖并作詳細(xì)介紹，分析了網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的 軟件設(shè)計思路。接著引入網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念，介紹了網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的測量和網(wǎng)絡(luò)性 能的測試方法。最后介紹了作為軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，即 socket 套接字。 15 3 嵌入式軟硬件平臺選型 3.1 硬件平臺選型 3.1.1 選擇 samsung s3c4510b 的理由 作為系統(tǒng)的核心，嵌入式處理器的選擇對一個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣有著重大影響。對 于嵌入式處理器的選擇，通常需要考慮如下兩個方面： (1) 從系統(tǒng)功能實現(xiàn)的角度和開發(fā)條件的角度進(jìn)行考慮：芯片的結(jié)構(gòu)(內(nèi)部是否有 mmu)、系統(tǒng)時鐘的速度、片內(nèi)存儲器、外部擴(kuò)展總線、dma 控制器、uart 數(shù)量、 網(wǎng)絡(luò)控制器以及芯片調(diào)試是否方便等因素。同時還要兼顧到該處理器軟件應(yīng)用的難易 程度。如果某款嵌入式處理器已被一種或多種優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)支持，將大大降 低系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度和工作量， 這對成本極度敏感的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是非常有利的。 (2) 從嵌入式產(chǎn)品的某些特殊性以及實際應(yīng)用時的情況考慮。在無線光通信系統(tǒng) 中，作為一種中間處理設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)測，對性能及功能要求不高。首先需要 價格低廉，和安裝方便。因此必須對嵌入式芯片的價格和體積進(jìn)行較嚴(yán)格的控制。 通過前面的系統(tǒng)分析已經(jīng)知道，在系統(tǒng)中，主要需要提供的是以太網(wǎng)接入能力， 因此首先需要選擇的是一款支持網(wǎng)絡(luò)的嵌入式處理器，同時本系統(tǒng)并不要求實現(xiàn)傳輸 實時視頻流等復(fù)雜功能，因此也不要求處理器的工作頻率很高。綜合以上原則及分析 以及實驗室現(xiàn)有條件，在系統(tǒng)中選用的是優(yōu)龍公司生產(chǎn)的基于 arm7tdmi 內(nèi)核的 samsung s3c4510b 芯片的 fs4510b 嵌入式開發(fā)板。 3.1.2 samsung s3c4510b 的優(yōu)點 相對于其它的網(wǎng)絡(luò)控制芯片，如：摩托羅拉公司 powerpc 系列中的 mpc850 / 860 (t)，coldfire 系列中的 mcf5272 等等。s3c4510b 有以下優(yōu)點： (1) s3c4510b 的工作頻率為 50mhz，使用高性能的簡化指令集 risc，提供 0.9mips/mhz 的三級流水線以提高處理器指令的流動速度。 此外， arm 獨有的 thumb 壓縮指令集，可大大提高代碼密度，節(jié)省存儲空間。arm 的研究表明，典型 thumb 代碼的尺寸僅為同等 arm 代碼的 65%， 但在對存儲帶寬有所限制的應(yīng)用中可將性能 16 提升至其 160% 。因此，在性能上 s3c4510b 也具有一定的優(yōu)勢。 (2) s3c4510b 內(nèi)置 10m/100m 以太網(wǎng)控制器，只需再添加物理層接口芯片即可。 (3) 在開發(fā)工具方面，由于 arm 內(nèi)核提供了高性價比且基于 jtag 的調(diào)試解決方 案，并且國內(nèi)有為數(shù)眾多的公司生產(chǎn) arm 內(nèi)核的芯片及其仿真器，價格便宜，如果 采用簡單 jtag 接口調(diào)試，則只需配置一個幾十元的簡單 jtag 口即可進(jìn)行調(diào)試，如 果連這個 jtag 接口也自制(制作非常簡單)，那成本將非常的低廉。而其余很多芯片 的調(diào)試器或仿真器價格動輒上千元。 (4) 在設(shè)計資源方面，全球己經(jīng)有將近 200 多個半導(dǎo)體公司購買了 arm 核，生產(chǎn) 自己的 arm 處理器，這種規(guī)模是任何一家公司都無法相比的，包括摩托羅拉。因此， 采用 s3c4510b 芯片將會擁有后面兩者無法相比的眾多的開發(fā)資源和強(qiáng)大的技術(shù)支 持。借助于來自第三方開發(fā)者的廣泛支持，設(shè)計者可以使用豐富的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具和 arm 優(yōu)化的應(yīng)用軟件。 (5) arm 體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界領(lǐng)先的 32 位嵌入式 risc 微處理器結(jié)構(gòu)。 所有 arm 處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)， 因而確保了開發(fā)者轉(zhuǎn)向更高性能的 arm 處理器 時，在軟件開發(fā)上可以得到最大的回報。 3.1.3 samsung s3c4510b 概述 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前， 有必要對 arm 芯片 s3c4510b 及其工作原理進(jìn)行比較詳細(xì) 的了解，只有對該微處理器的工作原理有了較詳細(xì)的了解，才能進(jìn)行特定應(yīng)用系統(tǒng)的 設(shè)計。 samsung 公司的 s3c4510b 是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比 16/32 位 risc 微控 制器， 內(nèi)含一個由 arm 公司設(shè)計的 16/32 位 arm7tdmi risc 處理器核， amr7tdmi 為低功耗、高性能的 16/32 位核，最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。 除了 arm7tdmi 核以外，s3c4510b 比較重要的片內(nèi)外圍功能模塊包括32：2 個 帶緩沖描述符(buffer descriptor)的 hdlc 通道，2 個 uart 通道，2 個 gdma 通道，2 個 32 位定時器，18 個可編程的 i/o 口。片內(nèi)的邏輯控制電路包括：中斷控制器， dram/sdram 控制器，rom/sram 和 flash 控制器，系統(tǒng)管理器，一個內(nèi)部 32 位系統(tǒng)總線仲裁器，一個外部存儲器控制器。 17 s3c4510b 結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示。 圖 3.1 s3c4510b 結(jié)構(gòu)框圖 3.2 軟件平臺選型 3.2.1 常見的嵌入式操作系統(tǒng) 對于面向通信、網(wǎng)絡(luò)、信息處理等領(lǐng)域的產(chǎn)品，人們要求其實現(xiàn)的功能復(fù)雜、可 靠性高，于是對微處理芯片和軟件的應(yīng)用都提出了更高的要求33。軟件開發(fā)方面，現(xiàn) arm7tdmi 32 位 risc cpu ice 斷點 cpu 接口 8-kbyte 一體化 cache 4-word 寫緩沖 總線路由器 i2c 18 個通用 i/o 口 中斷控制器 uart 0.1 32 位定時器 0.1 gdma 0.1 pll 帶刷新 控制的 存儲器控制器 系統(tǒng)總線 仲裁器 2 通道 hdlc 帶 dma 以太網(wǎng)控制器 2 通道 bdma bdma ram 發(fā)送緩沖(256 字節(jié)) 接收緩沖(256 字節(jié)) cam mac tx fifo (80 字節(jié)) rx fifo (16 字節(jié)) 用于 jtag 的 tap 控制器 6 組 rom sdram flash 4 組 dram 4 組 外部 i/o 設(shè)備 外部總線 控制器 遠(yuǎn)程端口 a、b 控制臺 mii 或 7 線 晶振 scl sda 外部總線 請求/應(yīng)答 32 位系統(tǒng)總線 18 代信息社會的高效性、協(xié)同性客觀上要求軟件的編寫便于多人分工合作、編寫的軟件 具有可重用性。軟件則日趨復(fù)雜。所有這些迫切需要有一個屏蔽底層硬件的、功能強(qiáng) 大的操作系統(tǒng)來支持。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，為人們解決復(fù)雜的應(yīng)用提供了可靠的 保障。嵌入式操作系統(tǒng)一般是基于多任務(wù)，實時性的工作模式343536，可以用于解決 復(fù)雜的多任務(wù)處理工作。 嵌入式操作系統(tǒng)的種類很多，根據(jù)是否需要付費，可分為商業(yè)操作系統(tǒng)和免費操 作系統(tǒng)。20 世紀(jì) 80 年代，商業(yè)化的嵌入式操作系統(tǒng)開始得到蓬勃發(fā)展。目前國內(nèi)外己 有幾十種商業(yè)操作系統(tǒng)可供選擇，如 vxworks、psos、 palm os、 nucleus、qnx 、 lynxos 、windows ce 和 hopen os 等，具體如表 3.1 所示。 表 3.1 常見的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 特 點 應(yīng)用領(lǐng)域 vxworks 良好的可靠性和卓越的實時性，提供搶占和 輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的多任務(wù)機(jī)制 廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空航天 等實時性要求極高的領(lǐng)域中。 psos 高性能、模塊化、多任務(wù)的實時操作系統(tǒng) 消費電子、工控、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、航空、 汽車、交通、醫(yī)療設(shè)備等 palm os 提供開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(api) 在 pda 市場占有很大的市場份額 nucleus 搶先式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，其 95%的代碼 是用 ansi c 寫成，便于移植 消費電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線、導(dǎo)航、 辦公設(shè)備控制、醫(yī)療設(shè)備等 qnx 分布式、優(yōu)先級搶占方式、可擴(kuò)展的實時操 作系統(tǒng)，內(nèi)核非常小巧，運(yùn)行速度極快 非常適用于對實時性要求較高的場 合，用于消費電子、電信、汽車領(lǐng)域 lynxos 分布式、嵌入式、可擴(kuò)展的實時操作系統(tǒng)， 支持線程概念，提供 256 個線程優(yōu)先級 多用于電信，航空，防御系統(tǒng)等領(lǐng)域 windows ce 多線程，完整優(yōu)先權(quán)，多任務(wù)的操作系統(tǒng)， 提供全面的多媒體和 web 瀏覽體驗 實時性能較差，在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng) 用較少，多用于消費電子 hopen os 我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實時多任務(wù)操作系 統(tǒng)，提供一個微內(nèi)核及可定制的系統(tǒng)模塊。 廣泛應(yīng)用于機(jī)頂盒、掌上電腦、數(shù)字 電視、通信、汽車電子、家電等領(lǐng)域 這些專用操作系統(tǒng)均屬于商業(yè)化產(chǎn)品，價格昂貴；而且，由于它們各自的源代碼 不公開或僅部分公開，使得每個系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件開發(fā)問題重重；并且，由于這種封 閉性還導(dǎo)致了商業(yè)嵌入式系統(tǒng)在對各種設(shè)備的支持方面存在很大的問題，使得對它們 19 的軟件移植變得很困難。鑒于此，在系統(tǒng)的設(shè)計中沒有選擇這類操作系統(tǒng)。 3.2.2 選擇 uclinux 的理由 uclinux 是嵌入式 linux 的一個分支，是針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的 linux 系統(tǒng)。最 初的 uclinux 僅僅支持 p