以嵌入式系統(tǒng)作為移動終端的軟件平臺淺析

1引言

實(shí)時操作系統(tǒng)（）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，應(yīng)用程序都是建立在它之上。實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種：商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有、μC/OS等。

與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式具有開放源代碼、高可靠性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢，因此選用了嵌入式系統(tǒng)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(shù)（）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動終端、網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)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(shí)時采集衛(wèi)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(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、速度、狀態(tài)等），然后按照TCP/UDP協(xié)議的格式封裝成TCP/UDP數(shù)據(jù)包，接著加上IP報頭和報尾封裝成IP數(shù)據(jù)報。由于ARM處理器與通信模塊之間的通信遵循PPP（PointtoPointProtocol，點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議），因而，需要將IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到SGSN（ServingGPRSSupportNode，GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）。SGSN進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并按照GPRS特有的GTP（GPRSTunnelProtocol，GPRS隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成GTP包，然后通過GPRS骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的GGSN（GatewayGPRSSupportNode，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。GGSN也進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝，并且根據(jù)其目的IP地址選擇路由進(jìn)行傳送，從而最終傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運(yùn)動軌跡的顯示，并對被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。同時，監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)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(shù)據(jù)以及通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信（包括向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息和接收監(jiān)控中心的指令）。

3移動終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計

3.1總體設(shè)計

在移動終端上，軟件系統(tǒng)主要由三個部分組成：GPS信號接收程序、GPS數(shù)據(jù)處理程序和GPRS通信程序。在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2GPS信號接收程序

對于移動終端，它的第一個任務(wù)就是接收GPS信號。在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，GPS信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核給接在串口1上的GPS接收器提供了一個設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/ttyS0以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口［2］。這樣，GPS信號接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/ttyS0的操作就會被內(nèi)核映射成對GPS接收器的操作。當(dāng)GPS接收器接收到衛(wèi)星信號時，會觸發(fā)低層驅(qū)動程序事先注冊到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調(diào)用函數(shù)receive_chars（）把數(shù)據(jù)填充到_buffer中，然后調(diào)用函數(shù)tty__buffer_（）將數(shù)據(jù)傳遞給N_TTY行規(guī)程模塊。N_TTY行規(guī)程模塊中的函數(shù)n_tty_receive_buf（）對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理后將其存入tty緩沖區(qū)中，供應(yīng)用層的GPS信號接收程序來讀取。

當(dāng)應(yīng)用層的GPS信號接收程序開始運(yùn)行時，它會向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請求的對象為tty設(shè)備，于是調(diào)用函數(shù)tty_（），接著調(diào)用函數(shù)_chan（）讀取tty緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

3.3GPS數(shù)據(jù)處理程序

GPS接收器與嵌入式Linux平臺之間的通信協(xié)議有很多種，這里采用的通信協(xié)議是NMEA-0183，它規(guī)定了GPS數(shù)據(jù)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(xié)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(xié)議報文的語句格式如圖3所示。

其中，$為串頭，表示串的開始；AA為識別符；XXX為語句名；ddd…ddd為數(shù)據(jù)字段，字母或數(shù)字；*表示串尾；hh表示$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(guān)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(shù)據(jù)處理程序的主要功能是從GPS接收器接收到的數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

3.4GPRS通信程序

3.4.1撥號到GPRS網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)上，然后發(fā)起（PacketDataProtocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)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。

3.4.2移動終端上撥號程序的實(shí)現(xiàn)

在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，移動終端利用pppd（包含）撥號到GPRS網(wǎng)絡(luò)。pppd是一個用戶空間的后臺服務(wù)進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，N_PPP層就是PPP協(xié)議層。PPP協(xié)議模塊不僅提供簡單的數(shù)據(jù)鏈路層功能，它還提供諸如鑒權(quán)（如PAP/），數(shù)據(jù)壓縮/解壓（如CCP）和數(shù)據(jù)加密/解密（如ECP）等擴(kuò)展功能。由于GPRS通信程序要求透明化地使用這些擴(kuò)展功能，而PPP協(xié)議模塊本身無法對各種策略進(jìn)行選擇，于是pppd應(yīng)運(yùn)而生。PPP協(xié)議模塊中策略性的內(nèi)容都移到了pppd中，由pppd完成對鑒權(quán)、壓縮/解壓和加密/解密等擴(kuò)展功能的選用。

在運(yùn)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(shè)置PPP協(xié)議模塊的參數(shù)、GPRS通信模塊連接的端口（/dev/ttyS1）以及對chat進(jìn)行調(diào)用的語句，等等。隨后pppd調(diào)用chat，chat也會讀取相應(yīng)的配置文件（其中包含一些應(yīng)答語句對和AT命令），然后使用默認(rèn)的行規(guī)程N(yùn)_TTY向GPRS通信模塊發(fā)送AT命令，接著chat將控制權(quán)返還給pppd。pppd將行規(guī)程切換為N_PPP，而pppd與PPP協(xié)議模塊之間采用了設(shè)備文件來進(jìn)行通信，設(shè)備文件名是/dev/ppp。通過系統(tǒng)調(diào)用，pppd可以讀取PPP協(xié)議模塊的數(shù)據(jù)包（當(dāng)然，PPP協(xié)議模塊只會把應(yīng)該由pppd處理的數(shù)據(jù)包發(fā)給pppd）。通過write系統(tǒng)調(diào)用，pppd可以把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳遞給PPP協(xié)議模塊，而通過系統(tǒng)調(diào)用，pppd可以設(shè)置PPP協(xié)議模塊的參數(shù)，可以建立/關(guān)閉連接。

此后，pppd執(zhí)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(guān)）完成之后，pppd執(zhí)行第⑩步，在函數(shù)_ppp_（）中調(diào)用（PPPIOCNEWUNIT）創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。當(dāng)PPP協(xié)議模塊在處理PPPIOCNEWUNIT時，調(diào)用函數(shù)register_netdev（）向內(nèi)核注冊PPP網(wǎng)絡(luò)接口，該網(wǎng)絡(luò)接口的傳輸函數(shù)指向函數(shù)ppp_start_xmit（）。值得注意的一點(diǎn)是，如果關(guān)閉進(jìn)程pppd，行規(guī)程會由N_PPP切換回默認(rèn)的N_TTY，因此，在移動終端與監(jiān)控中心通信的過程中不能關(guān)閉pppd進(jìn)程。

至此，移動終端完成了向GPRS網(wǎng)絡(luò)的撥號，這樣它就擁有了一個可以用于與監(jiān)控中心進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。

3.4.3移動終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互

前面，移動終端已經(jīng)與監(jiān)控中心建立了網(wǎng)絡(luò)鏈接。接下來，移動終端就可以與監(jiān)控中心進(jìn)行通信了。GPRS通信程序的層次結(jié)構(gòu)如圖1的右半部分所示。

在移動終端向監(jiān)控中心發(fā)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(fā)送TCP/IP數(shù)據(jù)包，內(nèi)核根據(jù)IP地址和路由表，找到PPP網(wǎng)絡(luò)接口，然后調(diào)用函數(shù)ppp_start_xmit（），此時控制權(quán)就轉(zhuǎn)移到了PPP協(xié)議模塊。函數(shù)ppp_start_xmit（）調(diào)用函數(shù)ppp_xmit_process（）去發(fā)送隊列中的所有數(shù)據(jù)包，而函數(shù)ppp_xmit_process（）會進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)ppp_send_frame（）去發(fā)送單個數(shù)據(jù)包。函數(shù)ppp_send_frame（）根據(jù)前面pppd對PPP協(xié)議模塊的設(shè)置調(diào)用壓縮等擴(kuò)展功能之后，又經(jīng)函數(shù)ppp_（）調(diào)用函數(shù)pch-》chan-》ops-》start_xmit（）發(fā)送數(shù)據(jù)包。函數(shù)pch-》chan-》ops-》start_xmit（）是具體的傳輸方式，對于串口發(fā)送方式，則是ppp_async.c:ppp_asynctty_open中注冊的函數(shù)ppp_async_send（），函數(shù)ppp_async_send（）經(jīng)函數(shù)ppp_async_（）調(diào)用函數(shù)tty-》driver-》write（）（定義在低層驅(qū)動程序中）把數(shù)據(jù)發(fā)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(diào)用函數(shù)tty_register_ldisc（）向tty注冊了行規(guī)程N(yùn)_PPP的處理接口，也就是一組回調(diào)函數(shù)。在移動終端接收監(jiān)控中心指令的過程中，當(dāng)GPRS通信模塊收到數(shù)據(jù)時，就會回調(diào)N_PPP行規(guī)程中的函數(shù)ppp_asynctty_receive（）來接收數(shù)據(jù)。函數(shù)ppp_asynctty_receive（）調(diào)用函數(shù)ppp_async_input（）把數(shù)據(jù)buffer轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)包，ppp_async_process一直掛在接收隊列ap-》rqueue上，一旦被喚醒，它就調(diào)用函數(shù)ppp_input（）讓PPP協(xié)議模塊處理該數(shù)據(jù)包。在函數(shù)ppp_input（）中，數(shù)據(jù)被分成兩路，一路是協(xié)議控制數(shù)據(jù)包，放入隊列pch-》file.rqb中，交給pppd處理。另外一路是用戶數(shù)據(jù)包，經(jīng)函數(shù)ppp_do_recv（）、ppp_receive_frame（）進(jìn)行PPP協(xié)議相關(guān)的處理后，再由函數(shù)netif_rx（）提交給上層的TCP/IP協(xié)議模塊進(jìn)行處理，最后經(jīng)socket接口傳遞給應(yīng)用層的GPRS通信程序。

4總結(jié)

近幾年，智能交通系統(tǒng)（包括車輛監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)展非常迅速，因此，移動終端將會有非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著市場需求的不斷擴(kuò)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(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢將會被越來越多地應(yīng)用到這個領(lǐng)域。