【導(dǎo)讀】究成果，也不包含獲得蘭州交通大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本學(xué)位論文作者完全了解蘭州交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機。構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。全路各級調(diào)度指揮管理人員提供現(xiàn)代化的調(diào)度指揮管理手段和平臺。車站分機是處于全路TDCS三層體系結(jié)構(gòu)的最下層，其主要功能為信息的采集。和傳送、無線車次號的校核、無線調(diào)度命令的發(fā)送和自動報點等?？刂朴嬎銠C作為操作平臺進(jìn)行TDCS車站分機的研究與設(shè)計。為正確識別和分析從串口和網(wǎng)絡(luò)接收到的。數(shù)據(jù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)包分析算法來完成相關(guān)功能。為保證車站分機能可靠工作，TDCS車站分機采用雙機熱備系統(tǒng)來實現(xiàn)。分析了雙機熱備系統(tǒng)的方案的基礎(chǔ)上，提出了雙機熱備切換的軟、硬件實現(xiàn)。Heartbeat檢測到主機宕機時，從服務(wù)器接管主服務(wù)器的工作,待主服務(wù)器恢復(fù)正常后，機出現(xiàn)故障時，主備機進(jìn)行切換。

　　

【正文】 于整個大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最基層，負(fù)責(zé)基層信息采集并送到分局調(diào)度中心，并將調(diào)度所下發(fā)的各種控制信息傳送到車站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。 TDCS 基層網(wǎng)主要由 兩部分設(shè)備組成： (1) 計算機 及 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 ； (2) 車 站分機采集及控制設(shè)備 ； TDCS 基層網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示 基于 Linux Embedded 的 TDCS 車站分機的研究與設(shè)計 10 車站分機微機聯(lián)鎖車站采集設(shè)備無線車次號無線調(diào)度命令設(shè)備Router協(xié)議轉(zhuǎn)換器協(xié)議轉(zhuǎn)換器前一站 后一站車站值班員臺以太網(wǎng)NPC 圖 TDCS 基層網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 硬件平臺的設(shè)計 硬件 需求 在硬件結(jié)構(gòu)上，要采用開放式的設(shè)計，按模塊化的結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，使其易維護(hù)、易擴充、適用于大、中、小車站；在機型選擇上，應(yīng)考慮抗干擾、安全性和可靠性及性能價格比，一般主機選用工業(yè)控制機或高檔 PC 機。 (1) 硬件性能要求 — 強運算能力 — 大存儲容量 — 高穩(wěn)定性 (2) 環(huán)境條件要求： 系統(tǒng)在硬件上滿足超低溫 、 高溫和 高海拔工作環(huán)境 硬件功能 — CPU：性能必須能夠滿足車站分機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信的實時性要求 — 存儲器：必須具有有抗震動，不易損壞，適合嵌入式應(yīng)用 — 硬件接口：串行通信接口及其它硬件接口 軟件平臺的設(shè)計 車站分機系統(tǒng)主要由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成。其中，嵌入式操作系統(tǒng) 是整 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位 論文 11 個 車站分機系統(tǒng) 的核心內(nèi)容。 軟件需求 (1) 多任務(wù)需求 車站分機系統(tǒng)必須能夠同時能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通信等任務(wù)，因此必須要求該系統(tǒng)具有多任務(wù)的處理能力 。 (2) 實時性需求 必須提供與其它設(shè)備 進(jìn)行實時通信的功能，所以該系統(tǒng)必須具有實時性 。 (3) 可移植性的需求 由于嵌入式硬件技術(shù)發(fā)展非常迅速，車站分機系統(tǒng)應(yīng)該具有對多平臺支持的特性，方便以后其它硬件平臺的移植。所以車站分機系統(tǒng)設(shè)計可裁剪，可伸縮的體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具有高度的可裁剪性，各模塊間的對立性。 嵌入式操作系統(tǒng)比較及選擇方案 目前，比較流行的三種嵌入式操作系統(tǒng)的比較 [7]： (1) Palm OS Palm 是 3Com 公司的產(chǎn)品，其操作系統(tǒng)為 Palm OS。 Palm OS 是一種 32 位的嵌入式操作系統(tǒng)。 Palm 提供了串行通信 接口和紅外線傳輸接口，利用它可以方便地與其它外部設(shè)備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開放的 OS 應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。 Palm OS 是一套具有 技 術(shù)強 的 開放性的系統(tǒng)，現(xiàn)在有大約數(shù)千種專用為Palm OS 編寫的應(yīng)用程序，從程序內(nèi)容上看，小到個人管理、游戲，大到行業(yè)解決方案，Palm OS 無所不包。在豐富的軟件支持下，基于 Palm OS 的掌上電腦功能得以不斷擴展。 Palm OS 是一套專門為掌上電腦開發(fā)的 OS。在編寫程序時， Palm OS 充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況，因此它只占有非常小 的內(nèi)存。由于基于 Palm OS 編寫的應(yīng)用程序占用的空間也非常?。ㄍǔＶ挥袔资?KB），所以，基于 Palm OS 的掌上電腦（雖然只有幾 MB 的 RAM）可以運行眾多應(yīng)用程序。 由于 Palm 產(chǎn)品的最大特點是使用簡便、機體輕巧，因此決定了 Palm OS 應(yīng)具有以下特點。 ① 操作系統(tǒng)的節(jié)能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小，因此在 Palm OS的應(yīng)用程序中，如果沒有事件運行，則系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入半休眠（ Doze）的狀態(tài)；如果應(yīng)用程序停止活動一段時間，則系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠（ Sleep）狀態(tài)。 ② 合理的內(nèi)存管理。 Palm 的存儲器全部是可讀寫的快速 RAM，動態(tài) RAM （ Dynamic RAM）類似于 PC 機上的 RAM，它為全局變量和其它不需永久保存的數(shù)據(jù)基于 Linux Embedded 的 TDCS 車站分機的研究與設(shè)計 12 提供臨時的存儲空間；存儲 RAM（ Storage RAM）類似于 PC 機上的硬盤，可以永久保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。 ③ Palm OS 的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫（ Database）的格式來存儲的。數(shù)據(jù)庫是由一組記錄（ Records）和一些數(shù)據(jù)庫頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲器空間，在處理數(shù)據(jù)的時候， Palm OS 不是把數(shù)據(jù)從存儲堆（ Storage Heap）拷貝到動態(tài)堆（ Dynamic Heap）后再進(jìn)行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調(diào)用存儲器地址， Palm OS 規(guī)定，這一切都必須調(diào)用其內(nèi)存管理器里的 API 來實現(xiàn)。 Palm OS 與同步軟件（ HotSync）結(jié)合可以使掌上電腦與 PC 機上的信息實現(xiàn)同步，把臺式 相 同的功能擴展到了掌上電腦。 Palm 應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，如：聯(lián)絡(luò)及工作表管理、電子郵件及互聯(lián)網(wǎng)通信、銷售人員及組別自動化等等。 Palm 外圍硬件也十分豐富，有數(shù)碼相機、 GPS 接收器、調(diào)制解調(diào)器、 GSM 無線電話、數(shù)碼音頻播放設(shè)備、便攜鍵盤、語音記錄器、條碼掃描、無線尋呼接收器、 探測儀。其中 Palm 與 GPS 結(jié)合的應(yīng)用，不但可以作導(dǎo)航定位，還可以結(jié)合 GPS 作氣候的監(jiān)測、地名調(diào)查等。 (2) Windows CE Windows CE 是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的 32 位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作。它是精簡的 Windows 95。 Windows CE 的圖形用戶界面相當(dāng)出色。其中 CE 中的 C 代表袖珍（ Compact）、消費（ Consumer）、通信能力（ Connectivity）和伴侶 （ Companion）； E 代表電子產(chǎn)品（ Electronics）。與 Windows 95/9 Windows NT 不同的是， Windows CE 是所有源代碼全部由微軟自行開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)，其操作界面雖來源于 Windows 95/98，但 Windows CE 是基于 Win32 API 重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺。 Windows CE 具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于 Win32 應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點。 Windows CE 不僅繼承了傳統(tǒng)的 Windows 圖形界面，并且在Windows CE 平臺上可以使用 Windows 95/98 上的編程工具（如 Visual Basic、 Visual C++等）、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面 風(fēng) 格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在 Windows CE 平臺上繼續(xù)使用。 Windows CE 的設(shè)計目標(biāo)是：模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，支持多種 CPU。它的設(shè)計可以滿足多種設(shè)備的需要，這些設(shè)備包括了工業(yè)控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業(yè)設(shè)備，還有像照相機、電話和家用娛樂器材之類的消費產(chǎn)品。 Windows CE 的特點有： ① 具有靈活的電源管理功能，包括 睡 眠 /喚醒模式。 ② 使用了對象存儲（ Object Store）技術(shù)，包括文件系統(tǒng)、注冊表及數(shù)據(jù)庫。它還蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位 論文 13 具有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（ heap）等。 ③ 擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域連接以及撥號連接，并提供與 PC、內(nèi)部網(wǎng)以及 Inter 的連接，還提供與 Windows 9x/NT 的最佳集成和通信。 ④ 支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級別的ISR 完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的實時性。 ⑤ 更好的線程響應(yīng)能力。對高級別 IST（ 中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時間上限的要求更加嚴(yán)格，在線程響應(yīng)能力方面的改進(jìn)，幫助開發(fā)人員掌握線程轉(zhuǎn)換的具體時間，并通過增強的監(jiān)控能力和對硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應(yīng)用程序。 ⑥ 256 個優(yōu)先級別?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性。 ⑦ Windows CE 的 API 是 Win32 API 的一個子集，支持近 1500 個 Win32 API。有了這些 API，足可以編寫任何復(fù)雜的應(yīng)用程序。當(dāng)然，在 Windows CE 系統(tǒng)中，所提供的 API 也可以隨具體應(yīng)用的需求而定。 (3) 嵌入式 Linux Linux 是一個類似于 Unix 的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個名為 Linus Torvalds 的業(yè)余愛好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。 Linux 從 1991 年問世到現(xiàn)在，已發(fā)展成為一個功能強大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的 Linux OS 已成為 Microsoft 公司的 DOS 和 Windows 95/98 的強勁對手。 Linux 系統(tǒng)不僅能夠運行于 PC 平臺，還在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，在各種嵌入式 Linux OS 迅速發(fā)展的狀況下， Linux OS 逐漸形成了可與 Windows CE 等 EOS 進(jìn)行抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中， 49%的項目選擇 Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)。 Linux 現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇。 中科紅旗軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的紅旗嵌入式 Linux正在成為許多嵌入式設(shè)備廠商 的首選。在不到一年的時間內(nèi)，紅旗公司先后推出了 PDA、機頂盒、瘦客戶機、交換機用的嵌入式 Linux 系統(tǒng)，并且投入了實際應(yīng)用?，F(xiàn)以紅旗嵌入式 Linux 為例來講解嵌入式 Linux OS 的特點： ① 精簡的內(nèi)核，性能高、穩(wěn)定，多任務(wù)。 ② 適用于不同的 CPU，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如 X8 ARM、 MIPS、 ALPHA、 SPARC等。 ③ 能夠提供完善的嵌入式 GUI 以及嵌入式 XWindows。 基于 Linux Embedded 的 TDCS 車站分機的研究與設(shè)計 14 ④ 提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、 MP3 播放器、 MPEG 播放器、記事本等應(yīng)用程序。 ⑤ 提供完整的開發(fā)工具和 SDK，同時提供 PC 上的開發(fā)版本。 ⑥ 用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。 ⑦ 常用嵌入式芯片的驅(qū)動集，支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動豐富。 ⑧ 針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。 ⑨ 完善的中文支持，強大的技術(shù)支持，完整的文檔。 ⑩ 開放源碼， 豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣。 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 ： 當(dāng)面對一個具體的嵌入式應(yīng)用開發(fā)項目時，面對如此多的嵌入式操作系統(tǒng)，如何選擇一個合適的嵌入式操作系統(tǒng)是個令人困惑的問題，下面給出一些參考因素： (1) 應(yīng)用需求 每種嵌入式操作系統(tǒng)都有其擅長的領(lǐng)域，根據(jù)應(yīng)用需求選擇嵌入式操作系統(tǒng)就是揚長避短，發(fā)揮所選擇的嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢。 (2) 實時性 嵌入式應(yīng)用對實時性的要求是決定嵌入式操作系統(tǒng)的一個重要參考因素，如果要開發(fā)的嵌入式應(yīng)用有嚴(yán)格的硬實時要求， 則 應(yīng)考慮使用 傳統(tǒng)的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)；如果要開發(fā)的嵌入式應(yīng)用并沒有嚴(yán)格的硬實時要求， 則 嵌入式 Linux 或許可以很好地滿足需求。 (3) 開發(fā)工具 開發(fā)工具的好壞及開發(fā)人員對工具的熟悉程度將直接影響嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。從目前的情況看，商用嵌入式操作系統(tǒng)都有較好的開發(fā)工具支持，例如： Platform Builder集成開發(fā)環(huán)境都有很強大的功能。嵌入式 Linux 的開發(fā)也有一些高效穩(wěn)定的開發(fā)工具可以使用，例如， Monta Vista 和 TimeSys 公司的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)都有基于工業(yè)級的Eclipse 開發(fā)框架的功 能強大的集成開發(fā)工具，但是它們的價格同樣也很高。 (4) CPU 的種類 現(xiàn)在市場上的嵌入式 CPU 種類很多，各種嵌入式操作系統(tǒng)所支持的 CPU 也不都相同。通常 ARM 系列處理器由于占有的市場份額比較大，很多嵌入式系統(tǒng)都支持它。對于新的嵌入式處理器，一般不會有商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)的支持。而芯片產(chǎn)家提供的操作系統(tǒng)很有可能就是 Linux，這是由于 Linux 是開源的，其內(nèi)核源代碼很容易得到，而且蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位 論文 15 也沒有許可證費用，因為芯片產(chǎn)家要為自己的處理器移植操作系統(tǒng)，首先考慮的就是移植 Linux。 (5) 價格、 技術(shù)支持和服務(wù) 由于中國 技術(shù)人員 工資比發(fā)達(dá)國家要低很多，因此在考慮嵌入式操作系統(tǒng)選擇時，需要考慮是采用開放源代碼技術(shù)自行開發(fā)還是購買現(xiàn)成的商用嵌入式操作系統(tǒng)的成本問題。有些商用的嵌入式操作系統(tǒng)（例如 VxWorks 和 Windows CE）既要收取開發(fā)費用，又按產(chǎn)品銷售的實際數(shù)量收取每個產(chǎn)品中嵌入式操作系統(tǒng)軟件運行時的許可證費用。μc/OSⅡ 的商用許可證則是每種產(chǎn)品收取一次性的費用。而 Linux 這類開源的產(chǎn)品則無論是 μ clinux 還是嵌入式 Linux 都不需要許可證得費用。許多嵌入式 Linux 提供商則是收取技術(shù)支持和服務(wù)的費用，在國 內(nèi)，若公司的技術(shù)人員對 Linux 有足夠的了解，則從價格的角度考慮，