水声通信系统中专用实时操作系统研究与设计

论文摘要

在人类探索和开发海洋的过程中,水声通信技术得到了迅速的发展,已经在海洋勘探、灾难预报、水下遥控、海洋信息采集、对潜通信等领域发挥着极其重要的作用。完整的水声通信系统包括信源编解码、信道编解码、调制解调、发送接收等模块,需要复杂的软、硬件系统支持。实时操作系统能够有效管理各个硬件模块,为用户提供调用接口,可以简化软件设计,缩短系统开发周期。本文剖析了现有各种嵌入式实时操作系统的运行机制,研究实时操作系统在水声通信领域的应用,并以凌阳16位单片机SPCE061A为处理器模型,初步设计一个基于水声通信系统的专用实时操作系统UWAC-RTOS。UWAC-RTOS的系统内核包括任务管理、任务调度、中断管理等模块。任务管理模块为系统提供任务创建、任务删除、任务挂起、任务恢复等功能。任务调度模块采用静态优先级抢占调度机制来提高实时性能,能同时调度16个任务。中断管理模块实现系统处理异步事件的功能。为了减小内存、CPU等系统资源的开销,UWAC-RTOS的基本功能由汇编编写,同时提供支持汇编调用和C调用的系统接口。UWAC-RTOS采用内核可配置和可裁剪设计方式以满足不同应用需求。本文设计了若干测试方案来测试UWAC-RTOS的内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等性能指标,并与μC/OS-II的性能指标进行比较,测试结果显示UWAC-RTOS内核小、实时性好。在系统稳定性能方面,采用反复任务调度的方式来测试,测试结果显示UWAC-RTOS具有良好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题的背景
• 1.1.1 水声通信的研究现状
• 1.1.2 水声通信中嵌入式实时操作系统的研究现状
• 1.2 研究课题的提出
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的结构
• 第二章 水声通信系统
• 2.1 水声通信简述
• 2.1.1 水下通信的载体
• 2.1.2 水声通信的原理
• 2.1.3 水声数字通信
• 2.2 水声信道的传输特性
• 2.2.1 海洋环境噪声与声能量的传播损失
• 2.2.2 声传播的多途效应
• 2.3 水声数字通信系统的主要性能指标
• 第三章 嵌入式实时操作系统
• 3.1 前后台系统与嵌入式实时操作系统
• 3.1.1 前后台系统
• 3.1.2 嵌入式实时操作系统
• 3.2 嵌入式实时操作系统内核概述
• 3.2.1 内核结构
• 3.2.2 任务管理与调度
• 3.2.3 任务间通信与同步
• 3.2.4 中断管理
• 3.2.5 内存管理
• 3.2.6 系统时钟
• 3.3 嵌入式实时操作系统的主要性能指标
• 第四章 UWAC-RTOS 的研究与设计
• 4.1 硬件开发平台简介
• 4.1.1 硬件开发平台选择及依据
• 4.1.2 SPCE061A 单片机简介
• 4.1.3 SPCE061A 单片机硬件结构
• 4.1.4 SPCE061A 单片机中断系统
• 4.2 UWAC-RTOS 的设计目标
• 4.3 UWAC-RTOS 的体系结构及运行流程
• 4.3.1 UWAC-RTOS 的体系结构
• 4.3.2 UWAC-RTOS 的运行流程
• 4.4 UWAC-RTOS 的设计与实现
• 4.4.1 UWAC-RTOS 的内核设计
• 4.4.2 UWAC-RTOS 的任务管理
• 4.4.3 UWAC-RTOS 的任务调度
• 4.4.4 UWAC-RTOS 的中断管理
• 4.5 UWAC-RTOS 的接口设计
• 4.5.1 汇编函数的C 调用
• 4.5.2 C 数据结构的汇编引用
• 第五章 UWAC-RTOS 的测试
• 5.1 UWAC-RTOS 性能指标测试
• 5.1.1 内存开销
• 5.1.2 任务切换时间
• 5.1.3 最大中断禁止时间
• 5.2 UWAC-RTOS 系统测试
• 5.2.1 测试内容
• 5.2.2 测试方案
• 5.2.3 测试结果
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• [参考文献]
• 致谢