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      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      2018年10月31日 17:36 ? 次閱讀

      1引言

      實時操作系統()是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺,應用程序都是建立在它之上。實時嵌入式操作系統的種類繁多,大體上可分為兩種:商用型和免費型。商用型的實時操作系統功能穩定、可靠,有完善的技術支持和售后服務,但價格昂貴。免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢,目前主要有、μC/OS等。

      與其它嵌入式操作系統相比,嵌入式具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網絡功能等優勢,因此選用了嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺。

      2車輛概述

      車輛是融全球定位技術()、地理信息技術(GIS)和通用分組無線業務()于一體的高科技系統,由移動終端、網絡和監控中心組成[1]。移動終端安裝在各個移動車輛上,其上的接收器實時采集衛星定位信息,然后通過串口1傳送給ARM處理器。ARM處理器先解算出有用的數據(經緯度、速度、狀態等),然后按照TCP/UDP協議的格式封裝成TCP/UDP數據包,接著加上IP報頭和報尾封裝成IP數據報。由于ARM處理器與通信模塊之間的通信遵循PPP(PointtoPointProtocol,點對點協議),因而,需要將IP數據報按照PPP幀的幀格式封裝成PPP幀,然后傳遞給接在串口2上的GPRS通信模塊。GPRS通信模塊通過無線鏈路將數據進一步發送到SGSN(ServingGPRSSupportNode,GPRS業務支持節點)。SGSN進行相應的協議轉換,并按照GPRS特有的GTP(GPRSTunnelProtocol,GPRS隧道協議)將數據封裝成GTP包,然后通過GPRS骨干網傳送到相應的GGSN(GatewayGPRSSupportNode,GPRS網關支持節點)。GGSN也進行相應的協議轉換,再根據外部數據網的協議格式對數據進行新的封裝,并且根據其目的IP地址選擇路由進行傳送,從而最終傳送到監控中心。監控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進行車輛運動軌跡的顯示,并對被監控車輛的準確位置、速度、運動方向、行車狀態等參數進行監控和查詢。同時,監控中心也可以向移動終端發送文本信息和控制命令。

      由此可見,移動終端的核心功能是接收信號、處理GPS數據以及通過GPRS網絡與監控中心進行通信(包括向監控中心發送定位信息和接收監控中心的指令)。

      3移動終端軟件系統的設計

      3.1總體設計

      在移動終端上,軟件系統主要由三個部分組成:GPS信號接收程序、GPS數據處理程序和GPRS通信程序。在嵌入式Linux系統平臺下,移動終端的軟件系統結構如圖1所示。

      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      3.2GPS信號接收程序

      對于移動終端,它的第一個任務就是接收GPS信號。在嵌入式Linux系統平臺下,GPS信號接收程序的層次結構如圖2所示。

      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      其中,tty層、N_TTY行規程(LineDiscipline)層和低層驅動程序是嵌入式Linux系統中串行通信驅動模塊三個固有的邏輯層,這三層之間有相互調用的接口函數。嵌入式Linux系統提供了多種行規程供各類設備進行選擇,如:TTY行規程(N_TTY)用于連接終端輸入驅動設備和終端顯示驅動設備,而PPP行規程(N_PPP)用來連接終端驅動設備和網絡驅動設備。GPS信號接收程序使用了N_TTY行規程,GPS接收器接收到的數據必須經過N_TTY行規程模塊進行規范處理。低層驅動程序用來直接對硬件進行操作,而_buffer是低層驅動程序和N_TTY行規程之間的高速接口,它保存GPS接收器接收到的數據。

      在嵌入式Linux系統中,內核給接在串口1上的GPS接收器提供了一個設備節點/dev/ttyS0以及標準的文件系統接口[2]。這樣,GPS信號接收程序對設備節點/dev/ttyS0的操作就會被內核映射成對GPS接收器的操作。當GPS接收器接收到衛星信號時,會觸發低層驅動程序事先注冊到系統中的中斷處理函數,從而調用函數receive_chars()把數據填充到_buffer中,然后調用函數tty__buffer_()將數據傳遞給N_TTY行規程模塊。N_TTY行規程模塊中的函數n_tty_receive_buf()對數據進行規范化處理后將其存入tty緩沖區中,供應用層的GPS信號接收程序來讀取。

      當應用層的GPS信號接收程序開始運行時,它會向文件系統發出讀請求,文件系統發現此請求的對象為tty設備,于是調用函數tty_(),接著調用函數_chan()讀取tty緩沖區中的數據。

      3.3GPS數據處理程序

      GPS接收器與嵌入式Linux平臺之間的通信協議有很多種,這里采用的通信協議是NMEA-0183,它規定了GPS數據的輸出速率為4,800波特,其輸出都是字符,工作模式為8-N-1。通信協議NMEA-0183中包含的語句有GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG等,要想知道車輛的位置信息,至少要提取出GPGGA、GPGLL、GPRMC中的一種。NMEA-0183協議報文的語句格式如圖3所示。

      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      其中,$為串頭,表示串的開始;AA為識別符;XXX為語句名;ddd…ddd為數據字段,字母或數字;*表示串尾;hh表示$與*之間所有字符代碼的校驗和;《CR》為回車控制符;《LF》為換行控制符。

      在車輛中,主要關心的是時間、車輛的位置和速度等信息。因此,在移動終端上,GPS數據處理程序的主要功能是從GPS接收器接收到的數據中提取出GPRMC定位語句,忽略掉信息[3]。此后,移動終端上的GPRS通信程序負責將相關的數據發送給監控中心。

      3.4GPRS通信程序

      3.4.1撥號到GPRS網絡的基本原理

      移動終端要想通過GPRS通信模塊訪問,首先得附著在GPRS網絡上,然后發起(PacketDataProtocol,分組數據協議)上下文激活過程[4],如圖4所示。只有通過此過程,GPRS通信模塊才能與GGSN建立一條邏輯通路,從而訪問。

      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      3.4.2移動終端上撥號程序的實現

      在嵌入式Linux系統平臺下,移動終端利用pppd(包含)撥號到GPRS網絡。pppd是一個用戶空間的后臺服務進程(),而是pppd所帶一個輔助工具,用來與GPRS通信模塊建立會話。在上下文激活過程中,完成了第①步,而pppd完成了第②、③、④、⑩步。pppd撥號程序的層次結構如圖5所示。

      以嵌入式系統作為移動終端的軟件平臺淺析

      其中,N_PPP層就是PPP協議層。PPP協議模塊不僅提供簡單的數據鏈路層功能,它還提供諸如鑒權(如PAP/),數據壓縮/解壓(如CCP)和數據加密/解密(如ECP)等擴展功能。由于GPRS通信程序要求透明化地使用這些擴展功能,而PPP協議模塊本身無法對各種策略進行選擇,于是pppd應運而生。PPP協議模塊中策略性的內容都移到了pppd中,由pppd完成對鑒權、壓縮/解壓和加密/解密等擴展功能的選用。

      在運行pppd的時候,pppd首先讀取配置文件中的配置信息,其中包含了設置PPP協議模塊的參數、GPRS通信模塊連接的端口(/dev/ttyS1)以及對chat進行調用的語句,等等。隨后pppd調用chat,chat也會讀取相應的配置文件(其中包含一些應答語句對和AT命令),然后使用默認的行規程N_TTY向GPRS通信模塊發送AT命令,接著chat將控制權返還給pppd。pppd將行規程切換為N_PPP,而pppd與PPP協議模塊之間采用了設備文件來進行通信,設備文件名是/dev/ppp。通過系統調用,pppd可以讀取PPP協議模塊的數據包(當然,PPP協議模塊只會把應該由pppd處理的數據包發給pppd)。通過write系統調用,pppd可以把要發送的數據包傳遞給PPP協議模塊,而通過系統調用,pppd可以設置PPP協議模塊的參數,可以建立/關閉連接。

      此后,pppd執行了PDP上下文激活過程的第②、③、④步。等PDP上下文激活過程的第⑤-⑨步(與移動終端不直接相關)完成之后,pppd執行第⑩步,在函數_ppp_()中調用(PPPIOCNEWUNIT)創建一個網絡接口(如ppp0)。當PPP協議模塊在處理PPPIOCNEWUNIT時,調用函數register_netdev()向內核注冊PPP網絡接口,該網絡接口的傳輸函數指向函數ppp_start_xmit()。值得注意的一點是,如果關閉進程pppd,行規程會由N_PPP切換回默認的N_TTY,因此,在移動終端與監控中心通信的過程中不能關閉pppd進程。

      至此,移動終端完成了向GPRS網絡的撥號,這樣它就擁有了一個可以用于與監控中心進行通信的網絡接口(如ppp0)。

      3.4.3移動終端與監控中心的數據交互

      前面,移動終端已經與監控中心建立了網絡鏈接。接下來,移動終端就可以與監控中心進行通信了。GPRS通信程序的層次結構如圖1的右半部分所示。

      在移動終端向監控中心發送定位信息的過程中,移動終端上的GPRS通信程序通過socket接口發送TCP/IP數據包,內核根據IP地址和路由表,找到PPP網絡接口,然后調用函數ppp_start_xmit(),此時控制權就轉移到了PPP協議模塊。函數ppp_start_xmit()調用函數ppp_xmit_process()去發送隊列中的所有數據包,而函數ppp_xmit_process()會進一步調用函數ppp_send_frame()去發送單個數據包。函數ppp_send_frame()根據前面pppd對PPP協議模塊的設置調用壓縮等擴展功能之后,又經函數ppp_()調用函數pch-》chan-》ops-》start_xmit()發送數據包。函數pch-》chan-》ops-》start_xmit()是具體的傳輸方式,對于串口發送方式,則是ppp_async.c:ppp_asynctty_open中注冊的函數ppp_async_send(),函數ppp_async_send()經函數ppp_async_()調用函數tty-》driver-》write()(定義在低層驅動程序中)把數據發送到串口2(GPRS通信模塊接在串口2上)。

      ppp_async.c在初始化時(ppp_async_init),調用函數tty_register_ldisc()向tty注冊了行規程N_PPP的處理接口,也就是一組回調函數。在移動終端接收監控中心指令的過程中,當GPRS通信模塊收到數據時,就會回調N_PPP行規程中的函數ppp_asynctty_receive()來接收數據。函數ppp_asynctty_receive()調用函數ppp_async_input()把數據buffer轉換成sk_buff,并放入接收隊列ap-》rqueue中。ppp_async另外有一個tasklet(ppp_async_process)專門處理接收隊列ap-》rqueue中的數據包,ppp_async_process一直掛在接收隊列ap-》rqueue上,一旦被喚醒,它就調用函數ppp_input()讓PPP協議模塊處理該數據包。在函數ppp_input()中,數據被分成兩路,一路是協議控制數據包,放入隊列pch-》file.rqb中,交給pppd處理。另外一路是用戶數據包,經函數ppp_do_recv()、ppp_receive_frame()進行PPP協議相關的處理后,再由函數netif_rx()提交給上層的TCP/IP協議模塊進行處理,最后經socket接口傳遞給應用層的GPRS通信程序。

      4總結

      近幾年,智能交通系統(包括車輛監控系統)發展非常迅速,因此,移動終端將會有非常廣泛的應用前景。隨著市場需求的不斷擴大,更加豐富的功能將會被集成到移動終端上,而嵌入式Linux系統憑借其自身的優勢將會被越來越多地應用到這個領域。

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      發表于 2018-10-15 09:20 ? 395次閱讀
      資深linux運維工程師的工作經驗分享

      Linux磁盤管理好壞或有什么影響

      df命令參數功能:檢查文件系統的磁盤空間占用情況。可以利用該命令來獲取硬盤被占用了多少空間,目前還剩...

      發表于 2018-10-14 09:52 ? 302次閱讀
      Linux磁盤管理好壞或有什么影響

      嵌入式系統應用愈發廣泛,引起了模擬IC廠商的重視

      隨著我國通信技術和基礎設施建設的不斷推進,嵌入式系統得到更加廣泛的應用,目前該技術不僅局限于大型電子...

      發表于 2018-10-13 11:35 ? 218次閱讀
      嵌入式系統應用愈發廣泛,引起了模擬IC廠商的重視

      Linux系統vi(vim)編輯器命令使用教程

      vi(vim)是上Linux非常常用的代碼編輯器,很多Linux發行版都默認安裝了vi(vim)。v...

      發表于 2018-10-12 16:53 ? 413次閱讀
      Linux系統vi(vim)編輯器命令使用教程

      大數據的學習中你需要掌握的十二大技術

      大數據是對海量數據進行存儲、計算、統計、分析處理的一系列處理手段,處理的數據量通常是TB級,甚至是P...

      發表于 2018-10-11 17:46 ? 291次閱讀
      大數據的學習中你需要掌握的十二大技術

      你應該知道的27個Linux文檔編輯命令

      在許多UNIX說明文件里,都有RLF控制字符。當我們運用shell特殊字符">"和">>",把說明文...

      發表于 2018-10-11 16:43 ? 309次閱讀
      你應該知道的27個Linux文檔編輯命令

      符合汽車級要求的Linux系統,AGL呼之欲出!

      Linux是一個操作系統,類似于大家常見的Windows、Mac OS,區別于后者主要在于Linux...

      發表于 2018-10-11 10:01 ? 635次閱讀
      符合汽車級要求的Linux系統,AGL呼之欲出!

      Linux常用命令的全拼整理

      本文整理了常用命令的全拼,好像混進了什么奇怪的東西。

      發表于 2018-10-10 17:19 ? 591次閱讀
      Linux常用命令的全拼整理

      為什么大部分手機供應商都不更新Linux內核?

      相比消費者級的電子產品,企業級Linux系統供應商通常會及時更新內核。

      發表于 2018-10-10 15:53 ? 359次閱讀
      為什么大部分手機供應商都不更新Linux內核?

      智能鎖選哪家?十大知名門鎖品牌介紹

      指紋鎖憑借高效的安全性和便捷性逐漸進入人們的家庭生活中,但是大多數人在選購指紋鎖的時候往往對各大品牌...

      發表于 2018-10-10 11:03 ? 952次閱讀
      智能鎖選哪家?十大知名門鎖品牌介紹

      在Linux上如何配置基于密鑰認證的SSH?

      眾所周知,Secure Shell,又稱 SSH,是允許你通過無安全網絡(例如 Internet)和...

      發表于 2018-10-09 17:28 ? 288次閱讀
      在Linux上如何配置基于密鑰認證的SSH?

      單片機和嵌入式系統linux的區別

      在如今高速發展的社會下,電子信息技術的更新迭代相當迅速,想要不被社會淘汰,就要不斷更新自己的技術水平...

      發表于 2018-10-06 10:46 ? 184次閱讀
      單片機和嵌入式系統linux的區別

      如何檢測Linux系統是否被黑客入侵?

      俗稱“腳本小鬼”的家伙 是屬于那種很糟糕的黑客,因為基本上他們中的許多和大多數人都是如此的沒有技巧。

      發表于 2018-10-06 09:13 ? 234次閱讀
      如何檢測Linux系統是否被黑客入侵?

      一文詳解Linux內核的棧回溯與妙用

      網上或多或少都能找到棧回溯的一些文章,但是講的都并不完整,沒有將內核棧回溯的功能用于實際的內核、應用...

      發表于 2018-10-05 10:02 ? 295次閱讀
      一文詳解Linux內核的棧回溯與妙用

      看看Linux中形形色色的接口

      如果將內核比作一座工廠,那么Linux中眾多的接口就是通往這個巨大工廠的高速公路。

      發表于 2018-10-04 09:19 ? 257次閱讀
      看看Linux中形形色色的接口

      如何快速入門運維?了解Linux中的10個命令鏈...

      Linux命令中鏈接的意思是,通過操作符的行為將幾個命令組合執行。Linux中的鏈接命令,有些像你在...

      發表于 2018-10-03 19:33 ? 318次閱讀
      如何快速入門運維?了解Linux中的10個命令鏈...

      linux常用命令縮寫和全拼資料免費下載

      pwd:print work directory 打印當前目錄 顯示出當前工作目錄的絕對路徑 ps...

      發表于 2018-10-03 10:58 ? 496次閱讀
      linux常用命令縮寫和全拼資料免費下載

      可用于管理進程的整個生命周期的八個Linux命令

      一般來說,應用程序進程的生命周期有三種主要狀態:啟動、運行和停止。如果我們想成為稱職的管理員,每個狀...

      發表于 2018-10-02 17:22 ? 616次閱讀
      可用于管理進程的整個生命周期的八個Linux命令

      ACL是什么?ACL有什么用?

      常見的文件操作命令 cp 和 mv 等都支持 ACL 權限,只是 cp 命令需要加上 -p 參數。但...

      發表于 2018-09-30 16:52 ? 462次閱讀
      ACL是什么?ACL有什么用?

      Linux引發爭議,貢獻者能否刪除上傳的代碼?

      多位貢獻者和社區成員對 COC 進行批判和反對,甚至有人在郵件列表發起了撤銷貢獻代碼的討論。

      發表于 2018-09-30 14:46 ? 386次閱讀
      Linux引發爭議,貢獻者能否刪除上傳的代碼?

      Linus Torvalds宣布暫時退出Linu...

      “專注于技術的優勢在于你可以擁有一些主要的客觀衡量標準,這樣一些共識才有可能達成,而社區也會非常健康...

      發表于 2018-09-30 09:05 ? 422次閱讀
      Linus Torvalds宣布暫時退出Linu...

      你想知道的Ocaml語言

      關于OCaml,最早稱為Objective Caml,是Caml編程語言的主要實現,開發工具包含交互...

      發表于 2018-09-29 14:23 ? 149次閱讀
      你想知道的Ocaml語言

      關于嵌入式軟硬件系統的簡單剖析!

      中國擁有世界上最大的消費電子產品市場,手機、彩電、VCD、家用電器等的擁有量都居世界第一。隨著經濟水...

      發表于 2018-09-28 16:18 ? 333次閱讀
      關于嵌入式軟硬件系統的簡單剖析!

      資深linux運維工程師的經驗分享

      這個階段就是用已知軟件架構大規模集群方案以及實現各種技術方案

      發表于 2018-09-27 10:59 ? 419次閱讀
      資深linux運維工程師的經驗分享

      3分鐘搞定Linux正則表達式!

      正則表達式是一種字符模式,用于在查找過程中匹配制定的字符。

      發表于 2018-09-26 16:04 ? 332次閱讀
      3分鐘搞定Linux正則表達式!

      關于Linux在DVR系統中的應用以及發展前景淺...

      從微軟掌管操作系統至今,多數人認為操作系統即是Windows95/98/2000/XP,甚至有很多...

      發表于 2018-09-25 16:40 ? 437次閱讀
      關于Linux在DVR系統中的應用以及發展前景淺...

      AM4379 AM437x ARM Cortex...

      TI AM437x高性能處理器基于ARM Cortex-A9內核。 這些處理器通過3D圖形加速得到增強,可實現豐富的圖形用戶界面,還配備了協處理器,用于進行確定性實時處理(包括EtherCAT,PROFIBUS,EnDat等工業通信協議)。該器件支持高級操作系統(HLOS)。基于Linux的® 可從TI免費獲取。其它HLOS可從TI的設計網絡和生態系統合作伙伴處獲取。 這些器件支持對采用較低性能ARM內核的系統升級,并提供更新外設,包括QSPI-NOR和LPDDR2等存儲器選項。 這些處理器包含功能方框圖中顯示的子系統,并且后跟相應的“說明”中添加了更多信息說明。 處理器子系統基于ARM Cortex-A9內核,PowerVR SGX™圖形加速器子系統提供3D圖形加速功能以支持顯示和高級用戶界面。 可編程實時單元子系統和工業通信子系統(PRU-ICSS與ARM內核分離,允許單獨操作和計時,以實現更高的效率和靈活性.PRU-ICSS支持更多外設接口和EtherCAT,PROFINET,EtherNet /IP,PROFIBUS,以太網Powerlink,Sercos,EnDat等...

      發表于 2018-09-25 11:51 ? 22次閱讀
      AM4379 AM437x ARM Cortex...
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