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基于8051嵌入式系統(tǒng)的GPRS終端實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了基于GPRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)u/OS-II以及小型TCP/IP協(xié)議棧uIP；深入論述了基于8051嵌入式系統(tǒng)的GPRS終端的實(shí)現(xiàn)。提供了一種羅為簡單、廉價和實(shí)用的GPRS終端的實(shí)現(xiàn)方案，說明了在8051中如何進(jìn)行uC/OS-II和uIP的移植。關(guān)鍵詞：GPRS終端 嵌入式系統(tǒng) 實(shí)時操作系統(tǒng) TCP/IP
隨著數(shù)據(jù)無線傳輸需求的驟增和中畫移動GPRS業(yè)務(wù)全面投入運(yùn)營，無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用越來越廣泛。GPRS網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，且其本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP／IP協(xié)議，無需經(jīng)過PSTN等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，可直接與Internet網(wǎng)互通。因此GPRS業(yè)務(wù)在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、移動辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。
為了滿足GPRS終端的低成本、小型化和移動靈活等要求，現(xiàn)在廣泛采用單片機(jī)對GPRS終端進(jìn)行控制，并且引入嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧。目前主要的困難在于：運(yùn)行TCP／IP協(xié)議對計算機(jī)存儲器、運(yùn)算速度等要求較高，會占用大量的系統(tǒng)資源；而嵌入式系統(tǒng)大多采用8位單片機(jī)，硬件資源非常有限，支持TCP／IP協(xié)議非常困難。本文采用了在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uC／OS-II中移植一種小型TCP／IP協(xié)議棧uIP的方法，使基于8051嵌入式系統(tǒng)的GPRS終端能夠在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時改善了系統(tǒng)的性能，提高了系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。
圖1
1 基于GPRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸
GPRS是在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)�；贕PRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖1所示。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：
·GPRS終端通過接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(shù)據(jù)；
·處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站(BSS)；
·分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)；
·若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到CPBS終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet)，則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)。
2 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uC／OS-II
uC／OS-II是由Jean J．Labrosse先生編寫的、現(xiàn)在流行的一種免費(fèi)公開源代碼的實(shí)時操作系統(tǒng)。它可廣泛應(yīng)用于從8位到64位單片機(jī)的各種不同類型、不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)。帶有詳細(xì)注解的uC／OS-II源代碼只有200頁左右；其中95％左右是用C語言編寫的，與MCU類型相關(guān)的代碼用8088匯編寫成，不超過200行。uC／OS-II不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁剪、多任務(wù)和可剝奪型的實(shí)時內(nèi)核等特點(diǎn)；而且其實(shí)時性、穩(wěn)定性裙可靠性也得到了廣泛認(rèn)可。uC／OS-II的最小內(nèi)核可編譯至2KB，一般情況占用內(nèi)存在10KB數(shù)量級，適用基于8051的嵌入式系統(tǒng)的需要。在系統(tǒng)中嵌入uC／OS-II可以把整個程序分成許多任務(wù)，每個任務(wù)相對獨(dú)立，然后在每個任務(wù)中設(shè)置超時函數(shù)，時間用完后，必須交出MCU的使用權(quán)。即使一個任務(wù)發(fā)生問題，也不會影響其他任務(wù)的運(yùn)行。在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入uC／OS-II提高了系統(tǒng)的可靠性，并使調(diào)試程序變得簡單，同時也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。
不過uC／OS-II僅僅是一個實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，與商業(yè)實(shí)時操作系統(tǒng)軟件包比較，它缺少Utilities部分，如文件系統(tǒng)、遠(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用庫、通信軟件庫。通信軟件包括：TCP／IP軟件庫、藍(lán)牙通信軟件庫、IrDA紅外通信軟件庫等。這一類軟件的解決有兩種途徑：一個是購買第三方軟件；另一個是自己編寫。如果只是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議中的某些功能，可以選用免費(fèi)公開源代碼的小型TCP／IP協(xié)議棧，把它移植到uC／OS-II。 目前uC／OS-II的最新版本為V2．70，但現(xiàn)在廣泛學(xué)習(xí)和應(yīng)用的是V2．52。
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3 小型TCP／IP協(xié)議棧uIP
uIP是由瑞士計算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的一種免費(fèi)公開源代碼的小型TCP／IP協(xié)議棧，它專門為8位和16位MCU編寫。uIP完全是用C語言編寫，它在保證一個完整的TCP／IP棧的前提下，只保留了最必要的一系列特征，使其代碼最少、占用的RAM最�。凰荒芴幚韱我坏木W(wǎng)絡(luò)接口。通常的TCP／IP棧采用BSD socket API，需要來自下層的多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，而且任務(wù)管理、語境切換以及堆�？臻g的分配都要占用很大的開銷，超出了8位機(jī)系統(tǒng)的能力。uIP采用了一個事件驅(qū)動接口，通過調(diào)用應(yīng)用程序響應(yīng)事件。而相應(yīng)的應(yīng)用程序作為C函數(shù)調(diào)用。通常情況下，uIP的源代碼雖然只有幾KB，RAM占用僅幾百字節(jié)，但uIP提供了網(wǎng)絡(luò)通信所必須的協(xié)議，包括：ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP(PINC)和TCP；能夠滿足8位MCU接入TCP／IP網(wǎng)絡(luò)(如Internet)的需要。目前uIP最新的版本為V0.9，符合Internet標(biāo)準(zhǔn)。
4 GPRS終端的工作原理及硬件實(shí)現(xiàn)
GPRS終端由控制模塊控制TCP／IP模塊和無線發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
4．1 控制模塊
控制模塊的作用主要有：
·控制模塊通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接；
·控制模塊通過RS232串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令；
·控制模塊通過RS232串口向TCP／IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)；
·控制模塊自主或根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令采取其他操作。
控制模塊的MCU選用華邦的八位機(jī)WINBOODW77E58。W77E58是臺灣華邦公司生產(chǎn)的、與MCS51系列單片機(jī)兼容的、可多次編程的快速微處理器，在其內(nèi)部集成有32KB的可重復(fù)編程的Flash ROM、256字節(jié)的片內(nèi)存儲器、IKB用MOVX指令訪問的SRAM、可編程看門狗定時器、三個16位定時器、二個增強(qiáng)型的全雙工串行口、片內(nèi)RC振蕩器、雙16位數(shù)據(jù)指針等諸多功能。在很多場合，幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。由于其采用了全新設(shè)計的微處理器內(nèi)核，去除多余的時鐘和存儲周期，在相同的晶振頻率下，根據(jù)不同的指令類型，其運(yùn)行速度一般比傳統(tǒng)8051系列快1．5～3倍。一般情況下，平均可達(dá)2．5倍以上。另外，由于W77E58采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計，能工作在低速晶振頻率下。與普通的8051相比，若W77E58采用低速工作頻率，在相同的指令吞吐量下，W77E58的節(jié)電性能也將大大提高。
4．2 TCP／IP模塊
TCP／IP模塊通過RS232串口與GPRS無線模塊通信，提供非透明和透明兩路通道。相對應(yīng)地，該模塊有兩種傳輸模式：透明模式和非透明模式。通過軟件切換，模塊在處于不同的傳輸模式時，數(shù)據(jù)流向也有所不同。當(dāng)傳送AT指令集時，模塊進(jìn)入透明模式，可以直接訪問GPRS無線模塊；當(dāng)模塊進(jìn)人非透明傳輸方式時，用戶數(shù)據(jù)從串口進(jìn)入TCP／IP模塊后，先十丁成TCP／IP包，再經(jīng)串口發(fā)送給GPRS模塊；GPRS無線模塊把其封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包傳到GPRS網(wǎng)上。TCP／IP模塊由基于單片機(jī)8051的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。選用WINBOODW77E58作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)選用uC／OS-II，然后在uC／OS-II中移植uIP實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧。
4．3 GPRS無線模塊
GPRS無線模塊作為GPRS終端的無線收發(fā)模塊，把從TCP／IP模塊接收的TCP／IP包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS無線模塊采用了SIEMENS公司的MC35 GPRS模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源。MC35 GPRS模塊支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡(luò)，接收速率可達(dá)86．20kbps，發(fā)送速率可達(dá)21．5kbps，并且很容易集成。當(dāng)然最大的數(shù)據(jù)吞吐量還要依賴于GPRS網(wǎng)絡(luò)的支持。
5 TCP／IP模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
5．1 uC／OS-II在8051上的移植
uC／OS-II是自由軟件，非商業(yè)的運(yùn)用如科研、教學(xué)都是免費(fèi)的。任何使用者都可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載其源代碼，通過適當(dāng)?shù)男薷募右砸浦�，使其滿足自己硬件和系統(tǒng)的需要。為了移植，需要先了解uC／OS-II操作系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，圖3所示是uC／OS-II的結(jié)構(gòu)及與硬件的關(guān)系。
與處理器無關(guān)的代碼中包含了uC／OS-II的系統(tǒng)函數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)移植時一般不需要對這部分進(jìn)行修改；只要將UCOS-II．C文件包含在自己的項(xiàng)目中，即可將uC／OS-II中所有與MCU無關(guān)的代碼包含到移植的代碼中。
與應(yīng)用相關(guān)的代碼是用戶根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)定制合適的內(nèi)核服務(wù)功能，它包括兩個文件：OS_CFG．H、INCLUDES．H。其中OS_CFG．H用來配置內(nèi)核，用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進(jìn)行定制，設(shè)置系統(tǒng)的基本情況，例如系統(tǒng)可提供的最大任務(wù)數(shù)量、是否定制郵箱服務(wù)、是否需要系統(tǒng)提供任務(wù)掛起功能、是否提供任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)改變功能等。而INCLUDES．H則是系統(tǒng)頭文件。
處理器相關(guān)的代碼中包含了對各種不同類型MCU的支持，需要根據(jù)自己的MCU對這部分進(jìn)行修改。針對Keil C51編譯器和8051芯片的技術(shù)特點(diǎn)，uC／OS-Ⅱ的移植與三個文件相關(guān)：處理器相關(guān)C文件(OS_CPU．H、OS_CPU_C．C)和匯編文件(OS_CPU_A．ASM)。
(1)修改OS_CPU。H
文件OS_CPU．H中包括了用#define語句定義的與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。移植時主要修改的內(nèi)容有
：
·與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的設(shè)定。參考Keil C51編譯器中的幫助文件C51．PDF，具體路徑為＼C51＼HLP＼C51．PDF。
·用#define語句定義了兩個宏開關(guān)中斷，具體實(shí)現(xiàn)為：
#define OS_ENTER_CRITICAL()EA=0／／關(guān)中斷
#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 ／／開中斷
·根據(jù)8051堆棧的方向定義OS_STK_GROWTH。
#define OS_STK_GROWTH 0 ／／8051堆棧從下向上遞增
置OS_STK_GROWTH為0，表示堆棧從下(低地址)向上(高地址)遞增；置OS_STK_GROWTH為1，表示堆棧從上(高地址)向下(低地址)遞減。
·uC／OS-II從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時需要用到OS_STK_SW()，通過執(zhí)行OS_STK_SW()模仿中斷的產(chǎn)生。絕大多數(shù)CPU會提供軟中斷或指令陷阱(TRAP)完成這項(xiàng)功能。中斷服務(wù)子程序或指令陷阱處理函數(shù)(也叫異常處理函數(shù))的中斷向量地址必須指向匯編語言函數(shù)OSCtxSw()。因?yàn)?051沒有軟中斷指令，所以用程序調(diào)用代替。
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()
(2)修改OS_CPU_C．C
uC／OS-II的移植范例要求用戶編寫10個簡單的C函數(shù)，其中OSTaskStklnit()是必要的，其他9個函數(shù)必須聲明，但不一定包含任何代碼。因?yàn)镵eil C51在缺省情況下把函數(shù)編譯為不可重入的結(jié)構(gòu)，而多任務(wù)系統(tǒng)要求并發(fā)操作導(dǎo)致重入，所以要在每個C函數(shù)及其聲明后標(biāo)注reentrant關(guān)鍵字，使編譯器生成的代碼在運(yùn)行中支持函數(shù)可重入。另外"pdata"、"data"在uC／OS-II中用做一些函數(shù)的形參，但它同時又是Keil C51的關(guān)鍵字，這樣會導(dǎo)致編譯錯誤。通�？砂�"pdata''改成"ppdala"，"data"改成"ddata"解決此問題。具體修改的代碼如下：
void * OSTaskStkInit(void (*task)(void *pd),
void *ppdata,
void *ptos,
INT16U opt)reentrant
在基于8051的uC／OS-II中，移植uIP不需要對現(xiàn)有的TCP／IP源代碼做任何修改，但是必須為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)卡芯片、串口等)寫一個驅(qū)動程序。同時，現(xiàn)有系統(tǒng)的集成部分也要進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)或者周期性的定時器計數(shù)滿等情況下，主控制系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)[劉。移植的具體步驟如下：
·在目錄uip-0．9／下創(chuàng)建一個自己的目錄，例如uip-0．9／8051／；
·把uip_arch．c文件從目錄uip-0．9／unix／中復(fù)制到目錄uip-0．9／8051中；它包含了用C語言實(shí)現(xiàn)的32位加法、校驗(yàn)和算法；
·把uipopt．h文件從目錄uip-0．9／unix中復(fù)制到目錄uip-0．9／8051中，并對其進(jìn)行修改，以滿足系統(tǒng)的需要。uipopt．h是ulP的配置文件，其中不僅包含了諸如uIP網(wǎng)點(diǎn)的IP地址和同時可連接的最大值等設(shè)置選項(xiàng)，而且還有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和C編譯器的特殊選項(xiàng)；
·參考例子unix／tapdev．c和uip／slipdev．c，為串口編寫驅(qū)動程序；
·參考例子unix／main．c，寫自己的主控制系統(tǒng)，以便在適當(dāng)?shù)臅r候可以調(diào)用ulP函數(shù)；
·編譯源代碼。
本文闡述了基于8051嵌入式系統(tǒng)的GPRS終端的實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)介紹了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uC／OS-II基于8051的移植以及小型TCP／IP協(xié)議棧uIP的移植：該GPRS終端利用GPRS網(wǎng)和Internet能夠與相應(yīng)的GPRS終端以及相應(yīng)的Internet終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在GPRS終端的TCP／IP模塊中引入時實(shí)操作系統(tǒng)不但改善了系統(tǒng)的性能，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。
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