基于ARM9芯片S3C2410a的GPRS數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)
為了滿足GPRS數(shù)據(jù)終端的低成本、小型化和移動(dòng)靈活等要求，采用ARM9芯片S3c2410a對GPRS數(shù)據(jù)終端進(jìn)行控制。本文在S3C2410a中移植的是Linux操作系統(tǒng)，通過Linux操作系統(tǒng)可方便快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和網(wǎng)絡(luò)終端的控制；同時(shí)改善了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)可靠性，并使系統(tǒng)的擴(kuò)展和開發(fā)性能進(jìn)一步得到提高。
1 GPRS技術(shù)
1.1 GPRS工作原理
GPRS的英文全稱是General Packet Radio Service，譯作“通用分組無線服務(wù)”，它是利用“包交換”(Packet-Switched)的概念發(fā)展起來的一套無線傳輸方式。所謂“包交換”就是將Data封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一一傳送出去，形式上有點(diǎn)類似郵局中的寄包裹。其作用在于只有當(dāng)有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對廣大用戶來說是較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄馡nteract這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是閑置的。
GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中需增加一些節(jié)點(diǎn)，如GGSN(Gateway GPRS Supporting Node，GPBS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))和SGS(Serving GSN，GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))，GSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)中最重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。GSN具有移動(dòng)路由管理功能，它可以連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并可以連到GPRS寄存器。GSN可以完成移動(dòng)終端和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳送和格式轉(zhuǎn)換。GSN可以是一種類似于路由器的獨(dú)立設(shè)備，也可以與GSM中的MSC集成在一起。
GSN有兩種類型：一種為SGSN(Serving GSN，服務(wù)GSN)，另一種為GGSN(Gateway GSN，網(wǎng)關(guān)GSN)。SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置信息，并且在移動(dòng)終端和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要是起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。如ISDN。PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的TCP/IP或X.25網(wǎng)絡(luò)。GPRS工作時(shí)，通過路由管理來進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：一是移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；二是移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；三是移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。對于第一種情況，當(dāng)移動(dòng)終端產(chǎn)生了一個(gè)PDU分組數(shù)據(jù)單元，這個(gè)PDU經(jīng)過SNDC層處理，稱為SNDC數(shù)據(jù)單元，然后經(jīng)過LLC層處理為LLC幀，并通過空中接口送到GSM網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端所處的SGSN，SGSN把數(shù)據(jù)送到GGSN，GGSN把收到的消息進(jìn)行解裝處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式(如PSPDN的PDU)，最終送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶。為了提高傳輸效率，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可以對空中接口上的?shù)據(jù)做壓縮和加密處理。在第二種情況中，一個(gè)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端時(shí)，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元(如PSPDN中的PDU)，通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU送給GGSN。而GGSN再把PDU送給移動(dòng)終端所在的SGSN上，GSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過LLC層處理為LLC幀單元，最終通過空中接口送給移動(dòng)終端。第三種情況是一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個(gè)正在漫游的移動(dòng)用戶。這種情況下的數(shù)據(jù)傳送必須要經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到用戶A端。
1.2 GPRS的協(xié)議模型
Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信協(xié)議有5層，自下而上依次為物理層、MAC (Media Access Control)層、LLG(Logical LinkControl)層、SNDC層和網(wǎng)絡(luò)層。Um接口的物理層為射頻接口部分，而物理鏈路層則負(fù)責(zé)提供空中接口的各種邏輯信道。GSM空中接口的載頻帶寬為200 kHz，一個(gè)載頻分為8個(gè)物理信道。如果8個(gè)物理信道都分配為傳送GPRS數(shù)據(jù)，則原始數(shù)據(jù)速率可達(dá)200 kb/s?？紤]前向糾錯(cuò)碼的開銷，則最終的數(shù)據(jù)速率可達(dá)164 kb/s左右。MAC為媒質(zhì)訪問控制層。MAC的主要作用是定義和分配空中接口的GPRS邏輯信道，使得這些信道能被不同的移動(dòng)終端共享。LLG層為邏輯鏈路控制層。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLG的無線鏈路協(xié)議。SNDC被稱為子網(wǎng)依賴結(jié)合層。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包，確定TCP/IP地址和加密方式。網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議目前主要是Phasel階段提供的TCP/IP和L25協(xié)議。TCP/IP和X.25協(xié)議對于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如：BSS，NSS等設(shè)備)是透明的。[!--empirenews.page--]
2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
2.1.1 ARM9系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
ARM9系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。
2.1.2 GPRS傳輸設(shè)備
本文使用的GPRS傳輸設(shè)備是北京華榮匯通信設(shè)備有限公司開發(fā)的GR100型GPRS MODEM，采用了高性能內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧GPRS模塊。
2.2 系統(tǒng)運(yùn)作過程
(1)物理過程。ARM利用AT指令通過GPRSModem撥號，正確反饋及應(yīng)答后，一條物理通道即GPRS信道就在系統(tǒng)中的GPRS Modem和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。
(2)數(shù)據(jù)過程。PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，系統(tǒng)將遠(yuǎn)程登錄Internet，并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的IP地址。
(3)網(wǎng)絡(luò)過程。采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議將接人Internet的具有不同IP地址的終端都聯(lián)系起來。經(jīng)過IP路由選擇，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與連在Internet上的任一IP終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
(4)傳輸過程。選擇TCP作為傳輸層協(xié)議，為數(shù)據(jù)傳輸提供面向連接，可靠服務(wù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼Bootloader
Bootloader(引導(dǎo)加載程序)是嵌入式系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼，在PC中，引導(dǎo)加載程序由BIOS和位于硬盤MBR中的操作系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序一起組成的。
Bootloader啟動(dòng)大多數(shù)分為2個(gè)階段。第一階段主要包含依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)階段任務(wù)有：基本的硬件設(shè)備初始化(屏蔽所有的中斷、關(guān)閉處理器內(nèi)部指令，數(shù)據(jù)Cache等)；為第二階段準(zhǔn)備RAM空間；如果是從某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)媒質(zhì)中，則復(fù)制Bootloader的第二階段代碼到RAM中；設(shè)置堆棧；跳轉(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點(diǎn)。
第二階段通常用c語言完成，以便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。這個(gè)階段任務(wù)有：初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備；檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM 為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。
在U-BOOT(在PPC-BOOT的基礎(chǔ)上進(jìn)化而來的一個(gè)開放源碼的嵌入式BOOTROM程序)中通過下面兩行代碼進(jìn)行兩個(gè)階段的工作交換：
Ldr pc,_start_armboot
_start_armboot:.word staxt_armboot
Bootloader調(diào)用Linux內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一指令處，在跳轉(zhuǎn)時(shí)必須滿足下列條件：CPU寄存器設(shè)置。R0為O；R1為機(jī)器類型ID；R2為啟動(dòng)參數(shù)，標(biāo)記列表在RAM中的起始基地址，CPU模式。必須禁止中斷(IRQs和VlQs)；CPU必須設(shè)置為SVC模式。Cache和MMU的設(shè)置。MMU必須關(guān)閉；指令Cache可以打開也可以關(guān)閉；數(shù)據(jù)Cache必須關(guān)閉。在編寫完Bootloader后，利用JTAG下載電纜.燒寫到Nor Flash中即可。
3.2 配置和編譯Linux內(nèi)核
Linux內(nèi)核主要由5個(gè)子系統(tǒng)組成：進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進(jìn)程間通信。
3.2.1 配置內(nèi)核
配置內(nèi)核的命令有make config;make oldcoafig;make menucoafig;make xconfig。無論哪個(gè)命令都將產(chǎn)生config文件，并在每一個(gè)c源文件中加上<Linux/config.h>，使define的宏起全局性的作用。
3.2.2 編譯內(nèi)核
編譯內(nèi)核需要3個(gè)步驟，分別是創(chuàng)建內(nèi)核依賴關(guān)系、創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件和創(chuàng)建內(nèi)核模塊。執(zhí)行make up命令進(jìn)行編譯。
生成內(nèi)核以后，接下來要做的是安裝它。對每一個(gè)內(nèi)核配置來說。要復(fù)制4個(gè)丈件：沒有壓縮的內(nèi)核鏡像(zlmage和bzlmage)、壓縮的內(nèi)核鏡像(vmlinux)、內(nèi)核符號映射文件(System.map)以及配置文件(config)。
最后用loader.exe燒寫zlmage 或bzImage 到Nor Flash 的0x00010000地址。
4 GPRS數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)
GR100通過RS232接口與ARM9系統(tǒng)連接，最終實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片S3c2410a的GPRS數(shù)據(jù)終端。該終端內(nèi)部已移植了Linux操作系統(tǒng)，可在該系統(tǒng)下自主開發(fā)軟件，使其功能更加強(qiáng)大，例如連接LCD，實(shí)現(xiàn)可視化操作等。
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