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1、毡回电占料技女管硕士学位论文M A S T E RD l S S E R T A T l o N论文题目基于高速混合处理器的无线通信设备移动删试平台学科专业指导教师作者姓名班学号崔金钟-岳工郑力；杰摘要摘要以各类多媒体服务为代表的电信服务需求快速增长，使得厂商之间的竞争愈发激烈。为了在竞争中脱颖而出，各厂商纷纷开始寻求更高效、经济、快速的整体解决方案。对于他们而言面临的主要挑战是：如何降低新产品的开发成本；如何快速地完成产品设计，缩短进入市场的时间。如何解决这两个问题将在很大程度上决定厂商的竞争力。移动通信的发展将以第三代移动通信的应用和运营为起点，并走向多媒体通信。移动通信与信息家电、消费性
2、电子产品的结合成为未来的发展趋势，这对嵌入式技术的性能和实时性的要求越来越高。一方面要求系统能够支持高分辨率的图像显示，高质量的语音通信，快速处理大信息量数据，另一方面需要系统在截止时间前计算出正确的数据。如何使系统具有硬实时性能，并且具有强大的网络、图形、文件系统的支持，成为研究发展的方向。本论文基于此目的，设计并实现了一个具有开放体系结构的、易于扩充的、易于维护的、具有良好人机界面的软硬件平台。该平台的输入和输出都是模拟中频，而不关心射频前端是什么信号，这样提高了平台的灵活性，拓展了应用范围。在软件方面，考虑到通信设备对实时性要求较高的特点，提出并实现了将u C o S I I 实时内核与
3、u C l i n u x 相融合的设想，一方面使得系统具有实时性，另外一个方面，可以利用u C l i n u X 强大的文件系统、网络接口、图形接口等功能。u C o S I I和u C l i n u)【这两个操作系统都是开源操作系统。加之这两个系统在业界的广泛的普及度，使得软件的复用成为可能，并能够降低产品成本，加快研发周期。同时还为该平台设计了一些基本的输入输出设备，包括1 1 可液晶显示屏、键盘、与P C 机的通信接口等，并且设计实现了这些外围设备在u C l i n u x 环境下的设备驱动程序，使得上层开发人员专注于应用软件的开发，而不用关心底层的硬件的细节。该平台为通信产品提
4、供了一个灵活的底层平台。具体的产品根据需要加上特定的应用，就能够立即形成产品，从而减少不必要的重复劳动，加快产品的设计周期，缩短产品进入市场的时间。关键词：嵌入式，实时化，微内核A b s t 髓c tA b s t r a c tW i lt h er a p i d 孕o w mo ft e l e c o m 加l l I l i c a t i o l l Ss e r v i c 部w h o S er e p r e S e n t a t i V ea r em em u l t i m e d i as e r v i c 铭，l ec o m p e t i t i o nb
5、 e t w o m 锄u f a c t u r e r si I l c r e a S i n gf i e r c e l yM 锄u f 翻l r e f sh a v es t a n e dt 0s e e kam o r ce 衔c i e 咄m o r cc c o n o m i c a l 觚dm o r e 瑚【p i do v e m l ls o l u t i o ni I lo r d e rt 0w i ni l l l cc o m p 以t i o l l T h em 旬o rc h a l l c n g e 南rm em 绷角c t l l r e
6、si sm a th o wt or e d u c et h ec 0 S to fd 铡e l o p i n gn c wp I 硼u c t s，h o wt 0c o m p l e t ep I D d u dd 销i g nq u i c l(1 X 孤ds：h o n I e n i l l gm et i m e 给m a 成e t H o wt 0r 舔o l V et h e S et、j l，oi s s u e SW i l ll 越g c l yd e t 锄i n em ec o m p e t i t i V e n 骼so f m 锄u f a I c t I
7、 l r e l s A p p l i c a t i o no f3 Gm o b i l e舢m l i 髓t i o nw i l lb cas t a n i n gp o i n to f l ed e V e l o p m e n to fm o b i l ec o n 吼姗i c a t i o n s 缸n l o b i l ec o m m 眦i c a t i o n s 觚di n f o m 撕o na p p l i a l l c e Si n t e 则e di I l t oc 0 I l s u m e re I e a 的I l i c sp r o
8、 d u c t Si sm e 删o fm t u】r e m e y唧i r eh i 出l 髓p e r f o r m a l l c eo fe r n b e d d e dt e 咖l o l o g y O nm eo n eh l 也m es y S t 锄s h o u l ds u p p o r tl l i 曲r e s o l u t i o ng r a p t l i C si n t c r f a c ca n d虹g h q u a J i t yV o i c ec o m m u m c a t i o I l Ss 0 嬲t op m c e s s
9、 i I l gl 鹕e 锄。眦to fd a t ar a p i d l 弘o nt l l eo 吐l e rh a f l d，t 量l es y S t 锄S h o u l d 舀V eaa c c u r 眦ed a t ab e 向r em ec u t o f ft i m e H o wt om a k em es y s t e I I lh 弱t l l eh a r dr e a l t i m ep e r f 0 锄a n c e 舡l das 仃o n gs u p l o r to fn e t w o 矗，粤a p 帖c s，a n df i l es y
10、S t e r nh 嬲b e c o m et h e 打e n do f f 岱e a r C ha r l dd e V e l o p m e n t，I r I l i sp a p m eo b j e c t i V ei st 0d e S i g n 觚di l p l e m e n t a t i o na no p e l l 觚h i t e c t u r e，e x p 锄d a b l e e 舔yt om a i n t a i l Is o 小怕r ea n dh a r d w a r ep l a 怕衄w l l ic _ hh a s9 0 0 dt
11、m m 趾c o m p u t e ri I l t e r f a c e T h ei 印u ta n do u t p u to ft h es y S t 锄p l a t 南mi sa I l a l o gI F T l i sn e e d sn ol l s et 0c o n c e n lm el 疆舶n t 一伽也觚dc a n 伊e a t l ye n h a I l C et l l en e)【i b i l i t y o ft h ep l a t 向m，e x p 赳l dm eS c o p eo fa p p l i c a t i o nh lt e
12、 脚 1 So fS o f t w a r e，t h ea u t h o rp r e s e n t e d 趾di m p l e m e n t e das y S t e mw I l i c hi sac o m b m a t i o no fu C O S 一r e a l t i m ek e n l e la n du C l i I l u 墨c o I l S i d 甜n gc o l l l】m u I l i c a t i o I l se q u i p m 锄tr e q u i 陀r e s t r i c th i g h e rt i m ed e
13、 l a yf I e a t u r 髓T l l i sc a ng u a r 锄t e em er e a l t i m ef e 撕o f t h es y s t e mo n l eo n eh 卸也o nm eo m e r 眦t h eu S e fc 雒璐e rm ep o w 柏l如n c t i o nS u c h 笛f i I es y s t e 鸭n e t、)l，o r ki I l t e r f a c ca I l d 鲫l l i ci 融C eo fm eu C l i n u X u C o S 一a n du C l i n u Xa r eo
14、 p e l l 一s o u r c eo p 删i n gs y s t e 鸥锄dh a v ea 岍d er 觚g eo fA b s t r a c tp o p u l a ri ni n d u s 时删sm 出e Si tp o s s i b l et 0r e u s eo fm eS o 胁a r e，觚dt 0r 酏u c ep r o d u C t i o nc o s t，s p e e d u pt h ed e v e l o p m 钮tc y c l e A tn l es 锄et i m e，t h ep l a t f o n ni s 妇妇i g n
15、 e dt 0s u p p o r ts o m eb a S l cI n p u t 觚do u t p u td 嘶c e ss u c ha ST F TL C Ds c r e k e y b o 莉，a n dP Cc 0 I 姗u I l i c 撕o nI n t e r t a c e S T h ei m p l 锄e n to fd e v i c e 嘶V e rf o rt 1 1 e S e 咖p h 锨l si nm eu C l i n u xe I l V l r o I l I T l 饥te n a b l e sm et o pd e v e l o
16、p e r Sf o c u So nm ed c V e l o p m e n to fa p p l i 训o ns 0 胁a r e，觚dn 0l l s et 0c o n c 锄灿u tm ed e t a i l so ft l l e 吼d 甜)，i n gh a r d w a r e T h ep l a t f o mp r o v i d c Saf l 两b l e 铋v i r 懈嘲tf o r 删疵训。璐】p r o d u c t s。I h eu S e rn e e d St oa d dh i ss p e c i f i c da p p l i c a
17、 t i o na c c o r d i n gs p c c i f i e dp 同u di l lo r d e rt 0r e d u C em eu n n e C e s s a r yd u p I i c a t i o no f w o r ks p e e d u p 州d e s i 印c y C l e S，川u c et l l et i I r 圮珏m a r l(e t K e yw o r d s：铷m e d d e d，r c a l t i m e，I I l i c r o k 锄dm 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
18、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，论文中不包含其他入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。签名：聱垒岛日期：触擘年岁月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
19、应遵守此规定)签名：j 恤导师签名：日期：沈D态闹2yJII 红 目、彳口第一章引言1 1 嵌入式系统介绍第一章引言嵌入式系统是应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。I E E E 对于嵌入式系统的定义是：A nE m b e d d e ds v S t e mi Sn 蟛d e 访c e s 髑e dt oc o n 仃D l，m o r l i t o r，o ra S s
20、i s tm eo 删i o no fc q u i p m e n t，m a c l l i n e 巧0 fp l 勰t S【l】嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。嵌入式系统一般指非P C 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外设器件和I O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(o S)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。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编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点：1)对实时多任务有很强的
21、支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3)可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至川级。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：嵌入式系统【2】通常是面向特定应用的嵌入式C P U 与通
22、用型的最大不同就是嵌电子科技大学硕十学位论文入式c P u 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、体积小、集成度高等特点，能够把通用c P U 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统是将先进的计算机技术、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。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。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。嵌入
23、式系统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。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。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。1 2 移动通信对嵌入式系统的要求所谓3 G，其对应的全称为t I l i r dg c n e r a t i o no fm o b i l ep h o n es t 柚d 砌sa I l dt e d m 0 1 0 9 y【
24、3 1，中文含义就是指第三代数字通信。1 9 9 5 年问世的第一代模拟制式手机(1 G)只能进行语音通话。1 9 9 6 到1 9 9 7 年出现的第二代G s M、1 1)M A 等数字制式手机(2 G)便增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页。第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。第三代移动通信的目标是面向高速数据和多媒体应用。使用时，终端在室内可达2 M b s，步行时速率为3 8 4 k b
25、 S，高速车辆行走时为1 4 4 k b S。第三代移动通信在国际电信联盟蹦T-2 0 0 0 的技术标准要求下，目前已通过了几项主要的3 G 标准。据有关专家预测：进入2 l 世纪移动通信的发展，将以第三代移动通信的应用2 第一章引言和运营为起点，走向多媒体通信。移动通信与信息家电、消费性电子产品的结合正成为未来的发展趋势，第三代移动通信系统将实现宽带和综合多种业务需求，不仅能提供高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。第三代移动通信系统正在成为世界各国全力投入开发的系统。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(r r U)于1 9 8 5 年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统(
26、F P L M T S)，1 9 9 6 年更名为m I T 2 0 0 0(国际移动通信-2 0 0 0)，意即该系统工作在2 0 0 0 M H z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b S，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。从1 9 9 7 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进入实质阶段。目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将卫星移动通信网与地面移动通信网相结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实
27、现人类个人通信的理想。目前，第三代移动通信标准有四种：美国的C D M A 2 0 0 0，欧洲的W C D M A，我国的1 D S C D M A 与L A S C D M A。r r U 对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：在室内、手持机及移动三种环境下，支持话音和各种多媒体数据业务(速率达2 M b S)，实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。一般来说，3 G 的主要特性有三个：其一是可以使用同一部手机实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任何人之间的交流成为可能。其二是具有高速传输速率，在静止或步行情况下，数据传输速率能达到2 M b i 洮，在车速情
28、况下，数据传输速率达到3 8 4 k b i 以。另外一点就是能提供各项标准的通信业务。正是如此，3 G 系统对终端的要求更高了，一方面，需要支持高分辨率的图形界面，高质量的语音通信，另一方面，系统需要快速处理大信息量数据，不仅是需要处理器的能力，更是对操作系统的实时性要求。今天，以各类多媒体服务为代表的新的电信服务需求快速增长，厂商之间的竞争愈发激烈。为了在竞争中脱颖而出，各个长商纷纷开始寻求更高效、更经济、更快速的整体解决方案。对于他们而言，面临的主要挑战是：1)如何降低新产品的开发成本。2)如何快速地完成产品设计，缩短进入市场的时间。如何解决这两个问题将在很大程度上决定厂商的竞争力。3
29、电子科技大学硕+学位论文1 3 国内外研究现状从八十年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专用操作系统的开发。其发展已经有二十多年的经验，目前的应用范围也是越来越广泛，下面介绍一些比较著名的嵌入式操作系统：L i r m X【4】L i n u x 是一个成熟而稳定的网络操作系统。将L i n u x 植入嵌入式设备具有众多的优点。首先，L i n u)【的源代码是开放的，任何人都可以获取并修改，用之开发自己的产品。其次，“n I l】【是可以定制的，其系统内核最小只有约1 3 4 k B。一个带有中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做到不足l，并且同样稳定。另外，它和多数U I l
30、i x 系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时，由于具有良好的可移植性，人们已成功使L i n u)【运行于数百种硬件平台之上。嵌入式I，i n u】【内核一般由标准“n u x 内核裁剪而来。用户可根据需求配置系统，剔除不需的服务功能、文件系统和设备驱动。经过裁剪、压缩后的系统内核一般只有3 0 0 k 左右，十分适合嵌入式设备。同标准L i n u】【不同的是嵌入式L i n u x 必须要实现从F L A S H 或I 的M 的启动。标准“n u)【启动代码实现了系统初始化和从软盘、硬盘。盘区引导内核。嵌入式I j n u x 一般保存在F L A S H 或R o M 中，标准L
31、 I L O无法引导。在支持直接从F L A S H 设备引导的系统中，如华恒公司的u C l i I 眦，引导程序主要完成对硬件系统的初始化工作和操作系统的解压、移位工作。在不支持直接从F L A S H 引导的系统中，F L A S H 设备只能作为非引导磁盘使用。此时，可采用先从硬盘或软盘加载一个小操作系统，如嵌入式D O S，然后再执行”L 0 a d l i n”加载程序从F L A S H 引导嵌入式L i I 姒。文件系统是嵌入式L i n u x 操作系统必不可少的。但标准I i n _ u】【支持大量的文件系统，因此除了满足系统的正常运行需要而保留一种外，其它的全部可以删除，
32、利用原有的设置选项可以移除。一般嵌入式设备文件系统主要使用R a n 国i s k 技术和网络文件系统技术。R 锄D i s k 可驻留于F l 嬲h，运行时加载到内存中【5】。、聃I l d o w s C EM i c r o s o f lw i n d o w s C E 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。它不是削减的W i n d o w s 9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程，完整优先权，多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 K 的R O M。从S E G A4 第
33、一章引言的D r e 锄C 嬲t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑，都采用了研n d o w sC E，但是无奈价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。E m b e d i xE n l b c d i x 是由嵌入式L i n _ u】【行业主要厂商之一L u n e 0 推出的，是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的“n u x 发行版本。E r n b c d i】【提供了超过2 5 种的L i r l u 区系统服务，包括W 曲服务器等。系统需要最小8 M B 内存，3 M BR o M 或快速闪存。n b e d i x 基于L i n u X2 2 内核，并已经成功地移植到了h l
34、t e lx 8 6 和P o w e r P C 处理器系列上。像其它的L i n u x 版本一样，E m b e d i】【可以免费获得。L 吼e 0 还发布了另一个重要的软件产品，它可以让在W i n d o w SC E 上运行的程序能够在E m b e d i x 上运行。h m e 0 还将计划推出E 删i】【的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说，E n l b e d i x 是一种完整的嵌入式L i I l u】【解决方案。X I i n u xX L i n u X 是由美国网虎公司推出，主要开发者是陈盈豪。他在加盟网虎几个月后便开发出了基于X“n u x 的、
35、号称是世界上最小的嵌入式L i I l _ 1 1)【系统，内核只有1 4 3 K B，而且还在不断减小。X L i n u x 核心采用了“超字元集一专利技术，让L i n u x核心不仅可能与标准字符集相容，还含盖了1 2 个国家和地区的字符集。因此，X“n u】【在推广I i n u】【的国际应用方面有独特的优势。P o k e t“n u x由A g e n d a 公司采用、作为其新产品”v R 3 P D A”的嵌入式L i l l u)【操作系统。它可以提供跨操作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构，在此结构上实现端到端方案的完整平台。P o k e t I h I)
36、【资源框架开放，使普通的软件结构可以为所有用户提供一致的服务。P o k e t I i n u x 平台使用户的视线从设备、平台和网络上移开，由此引发了信息技术新时代的产生。在P o k e t I i 姗x 中，称之为用户化信息交换(C I E)，也就是提供和访问为每个用户需求而定制的n 主题“信息的能力，而不管正在使用的设备是什么。M i d o r i L i n m【由T r a n s m e t a 公司推出的M i d 耐L i n u X 操作系统代码开放，在G U N 普通公共许可(G P L)下发布，可以在h t l p：f I l i d o r i t r a l l
37、 s m e t 乱c o m 上立即获得。该公司有个名为”M i d o r i L i n u X 计划”。”M i d o r i I。i f n”这个名字来源于日本的n 绿色一一M i d o r i，用来反映其“n u)【操作系统的环保外观。红旗嵌入式由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式L i n u x 是国内做得较好的一款嵌入5 电子科技大学硕士学位论文式操作系统。目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统E a S yE n l b e d d e dO S(E E O S)也已经开始进入实用阶段了。该款嵌入式操作系统重点支持p-J a v a。系统目标一方面是小型化
38、，另一方面能重用L i l 姒的驱动和其它模块。由于有中科院计算所的强大科研力量做后盾，E E O S 有望发展成为功能完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台7】【引。1 4 课题研究方向和内容通信设备的发展趋势是高分辨率的图形显示、高质量的语音、视频通信，快速信息处理等，这就对系统的功能和实时性提出了更高的要求。目前通常的做法是采用一个通用处理器加上一个D S P 来构成一个系统，通用处理器负责控制操作，而D S P 负责时延要求很高的任务。这样做会增加产品的功耗和成本，增加系统的复杂性，如果将这两个处理器合并为一个处理器，那么就对操作熊提出了更高的要求，就目前的现状来看，一些商用的实时系
39、统实时性能够满足要求，但是在图形支持，文件管理，网络接口等方面支持不够，而另外一些系统能够完美支持图形显示，文件管理，网络管理等，但是其实时性不能够满足应用的要求，本论文针对通信设备的发展趋势，为通信设备设计一个通用系统平台原型，包括完整的图形界面接口，网络接口，文件系统以及各种常用的外设接口系统，并且使系统达到硬实时系统的标准，能够运行时延要求严格的实时任务。设计该平台的目的是缩短产品研发周期，降低产品设计的成本，该平台提供了通信设备产品的一些基本组成部分，不同的应用产品只需要根据具体的应用更换应用层，从而减少不必要的重复劳动。平台提供了显示模块，输入模块，黼A模块，与F P G A 通信模
40、块，与P C 通信模块等，在软件方面提供F r a m e b u f l 衙支持，标准网络接口，文件系统支持，并且实现一个实时的微内核，在其之上可以运行实时任务。该设计主要工作内容为，掌握T F r 液晶屏、键盘或触摸屏类型输入设备、外部采样信号接口卡驱动程序编写与测试，以及其接口电路，熟悉1 2 C，s P I，R S 4 8 5等接口总线协议，掌握L i n u X 环境下设备驱动程序的框架，并且在最终硬件平台下实现这些设备驱动。在熟悉u C l i n u)【系统的进程调度，调查了各种实时u C l i n u x 系统为了支持实时特性对普通系统所做的改进的基础上。根据应用平台的特殊要
41、求，选择u a i n u X 实时性扩展的解决方案，给出性能评估，并且实现此扩展。6 第一章引言1 5 论文结构介绍本论文的主要研究内容为一个无线通信测试设备的软件平台设计和实现，系统的研究了u C l i I l u)【环境下各种设备驱动的实现，u c l i n u)(的实时化扩展，u C o S I I的移植和修改，以及如何将u C l i n u x 和u a o S I I 两个操作系统混合，从而提升整个系统的性能，并且给出最终的性能测试结果。本论文的内容安排如下：第一章简单介绍了嵌入式系统的概念，以及通信领域对嵌入式的要求，嵌入式系统在国内外研究现状。第二章描述平台硬件体系结构，
42、概要性的介绍平台的硬件框架，以及对各个组成部分进行简单的介绍和阐述。第三章介绍平台软件的总体设计框架和软件的运行开发环境。第四章分析各种L 弧的实时化实现，设计实时化方案，实现u C o S I I 和u C l i n u)【的混合，并且在B l a c k f i n J C l i I l u x 平台上实现该实时化。第五章介绍系统各个硬件模块的硬件连接电路，以及L i n u x 设备驱动程序的实现框架，最后完成设备驱动程序的编写。第六章根据对系统实时性能的各项评定标准，设计测试方案，并且简单的分析测试结果。第七章为课题内容总结并给出未来改进的方向。7 电子科技大学硕+学位论文2 1
43、设计背景第二章系统硬件平台介绍在理想软件无线电体系中，在射频前端直接对模拟信号进行高速采样，但是这种结构对A D 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了相当高的要求，同时对后续数字信号处理器件的处理速度也是一个相当大的挑战。如果直接进行射频低通采样，采样速率至少是射频信号最高频率的两倍，受当前器件水平的制约，目前只有L F，H F 频段可以实现理想的软件无线电结构，而在F，切 F 以及更高的频段，只能实现基带数字化或中频数字化。目前，中频数字化方案是理想软件无线电体系结构最经济适用的折中选择。在当前的大多数软件无线电接收机中，一般先经模拟下变频到合适的中频，然后在中频对模拟信号进行
44、采样输出高速数字中频信号，再由相关的数字信号处理电路或是通用数字信号处理器进行处理。这样，大大降低了对A D C 和后续数字电路的性能要求，又最大限度的保留了理想软件无线电体系结构的灵活性，在提升系统性能的同时还可以大幅度的降低系统成本。目前，中频数字接收技术正在被越来越广泛的应用到各种军民用无线通讯设备以及电子战、雷达和信息化家电等领域。在我国向国际电信联盟(r r U)提交并被采纳的第三代移动通讯标准T D S C D M A中，也应用了基于软件无线电体系结构的中频数字接收技术。该平台的处理范围是中频部分，高频信号经过混频之后，变成了模拟中频信号，经过A D C 采样后，将数字中频输入F
45、P G A 进行滤波等处理，在通过D S P 进行应用处理，而发射过程为，D S P 产生出数字信号，经过D A C 转换成模拟信号，经过调制发射出去【9 1【l o】【l l l。2 2 硬件实现方案本系统的硬件实现框架如图2 1 所示，其中F P G A 选用A l t e r a 公司的C y c l o n e I I系列的2 C 3 5 芯片。中央处理器和基带数字信号处理在A D I 公司的B I a c k f i n 5 3 7 数字信号处理器内完成，该芯片内嵌一块通用型微控制器处理器。A D C 和D A C 分8 第二章系统硬件平台介绍别选用的是A D I 公司的A D 9
46、2 3 8 和A D 9 7 6 5。模拟中频单元和射频单元在单板上通过分立器件实现，模拟中频单元和射频单元这两个部分可以用其他不同的模块替换，平台的的输入输出都是在中频部分，平台的通用性也会在这个地方体现出来，各个子模块的功能简述如下：B l a c f i n 中央处理器数字中频单元模拟单元2 2 1 模拟单元图2 1 硬件模块示意图接收天线发射天线模拟单元的作用主要是将空中接口的无线信号转换为适合A D C 和D A C 的中频模拟信号，包括射频单元和模拟中频单元。射频单元一般包括带通滤波、低噪放、功率放大器、混频器等单元。在接收链路，接收天线收到无线信号后，将感兴趣频段外的信号滤除，通
47、过低噪声放大器放大后进行模拟混频，将信号频谱搬移到方便处理的中频段。在发射链路，射频单元通过混频电路把模拟中频信号混频到相应的射频频点，进行功率放大后通过发射天线将无线信号送出。在本系统所使用的数字中频结构中，模拟中频处理单元的功能比较简单，在发送和接收链路，都主要是完成带通滤波的功能。2 2 2 中频数字单元在本系统中，数字中频单元的所有功能都在一片F P G A 内完成。在接收链路，模拟中频信号经过高速A D 采样后变成数字信号，但是这时候9 一电子科技大学硕士学位论文数字信号的数据率很高，一般在几十兆，后续的D S P 处理器无法直接进行实时处理。在F P G A 中需要对信号进行抽取滤
48、波和数字混频，即实现数字下变频(D D C)的功能。在发射链路，F P G A 完成数字上变频的功能，D S P 送来的数字基带信号经过插值滤波和数字混频后送入D A C 进行D A 转换，变成模拟中频信号，再送给模拟中频单元【1 2 1。2 2 3B I a c k f i n 处理器单元图2-2B l a c 妊m 处理器内部结构B l a c k 缸处理器由于其基本内核架构的缘故而在这些混合信号处理控制处理应用场合中显得格外有效。其模块如图2 2 所示，B l a c k f i I ls M D 架构可提供高达7 5 6 M H z 的持续信号处理性能，这足以满足包括噪声回波消除、音频
49、和视频解压缩以及语音识别等要求最为苛刻的应用。B l a c k f i n 处理器还具备了通常更多地是由R I S C 处理器来提供的好处，具体地说就是：一个完全正交的指令集、字节可寻址性、存储器保护和一个s R 砧高速缓冲存储器模型。B l a c k f i n 处理器系列上的外设组包括一个无缝同步和异步存储器控制器、一个D M A 控制器、同步和异步串行端口、并行外设接口、看门狗定时器、实时时钟、通用定时器、C A N 和T w I 模块。这些外设不仅降低了远程信息处理系统的总体系统成本，而且还在多个汽车子系1 0 第二章系统硬件平台介绍统(G P S、蜂窝移动通信终端、C D、D V
50、 D、C M o S 传感器、汽车通信网络、甚至有可能包括蓝牙无线通信)之间提供了一种无缝通信机制。B l a c k f i n 处理器系列的设计有悖于传统D S P 和微控制器系统的设计规则。B l a c k 缸处理器将通用微控制器的常见编程环境与高性能D S P 的特点和功能组合在了一起。凭借性能水平高达7 5 6 M H z 的现有产品以及批量购买时售价仅为5 0 0 美元的派生产品，B l a c k 弛处理器架构能够满足最为苛刻的信号处理和对S C微控制器不断增长的要求。系统设计师既不再需要为究竟是选择D S P 还是微控制器件而犯难，也无需考虑因为设计一个双处理器系统而导致的复