近年來(lái)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后將使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)變得越來(lái)越容易。從根本上講，嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前基本上所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于TCP/IP通信協(xié)議。
由于嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減并對(duì)成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用系統(tǒng)，它對(duì)TCP/IP通信協(xié)議的支持有其自身的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也決定嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的體系結(jié)構(gòu)。
本方案以LPC2210為核心元件研究了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的硬件電路，同時(shí)在μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上編寫(xiě)了應(yīng)用軟件程序。
2、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的硬件原理圖如圖1所示。系統(tǒng)采用PHILIPS公司LPC2210微處理器，外擴(kuò)一片F(xiàn)LASH SST 39VF160，并接入RTL8019AS以太網(wǎng)芯片(Webchip)，再與接口連接器HR901170A相連。并將開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)上。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理圖
RTL8019AS以太網(wǎng)芯片(Webchip)是獨(dú)立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出口與MCU相連。具有16位的數(shù)據(jù)總線和24為的地址總線，并且內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器和集成16k SRAM、網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器，兼容NE2k標(biāo)準(zhǔn)。用戶可以通過(guò)DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片接收到數(shù)據(jù)后，用戶可以通過(guò)DMA方式將其讀出。
HR901170A是中山市漢仁電子有限公司生產(chǎn)的RJ45接口連接器(帶網(wǎng)絡(luò)變壓器/濾波器)，該連接器滿足IEEE802.3和IEEE902.3ab標(biāo)準(zhǔn)，能夠較好的抑制電磁干擾。通過(guò)HR901170A系統(tǒng)就可以連接到以太網(wǎng)上了。
該方案設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，硬件電路中采用的LPC2210是PHILIPS公司推出的微處理器，帶有16k RAM，76個(gè)通用I/O口，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳，集成有8通道的10位A/D，能夠基于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)。雖然LPC2210具有較快的訪問(wèn)速度，但片內(nèi)沒(méi)有集成FLASH，所以這里擴(kuò)展一片16Mbit FLASH SST 39VF160保存用戶程序。其架構(gòu)滿足了μC/OS-Ⅱ正常運(yùn)行的基本要求。
3、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的軟件設(shè)計(jì)
為使嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件具有交好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)在宏觀上按照一定的關(guān)系并行工作，CPU資源得到充分利用，系統(tǒng)可靠性得到很大的保證，方便組織開(kāi)發(fā)任務(wù)。在μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上，軟件設(shè)計(jì)工作主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和LwIP協(xié)議在μC/OS-Ⅱ上的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
該系統(tǒng)采用源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，版本號(hào)為V2.52。其特點(diǎn)是源碼公開(kāi)、可讀性強(qiáng)、移植性好、可配置、可裁剪。它采用優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度方案，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，則擁有CPU的所有權(quán)并開(kāi)始投入運(yùn)行。μC/OS-Ⅱ的軟硬件體系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。應(yīng)用程序建立在操作系統(tǒng)之上，處于系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)在宏觀上是并行運(yùn)行。與CPU類型無(wú)關(guān)的代碼提供了系統(tǒng)服務(wù)，即內(nèi)核、任務(wù)管理、內(nèi)存管理等。μC/OS-Ⅱ的移植部分用于完成與不同處理器的接口工作。μC/OS-Ⅱ的移植必須要求處理器及其編譯器滿足一定的條件。
圖3 μC/OS-Ⅱ硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)原理圖
μC/OS-Ⅱ的移植工作主要集中在下面幾個(gè)文中：OS_CPU.H,OS_CPU_A.ASM,OS_CPU_C.C。另外，在INCLUDES.H中必須包括LPC2210文件LPC2210.H;OS_CFG.H用于系統(tǒng)應(yīng)用μC/OS-Ⅱ中的初始化配置。OS_CPU.H主要包括了一些與處理器和編譯器相關(guān)的常量和類型定義等，而且要注意的是LPC2210的堆棧方向是由高到低,用OS_STK_GROWTH來(lái)設(shè)置堆棧的增長(zhǎng)方向。因此將OS_STK_GROWTH設(shè)為1。
OS_CPU_A.ASM中需要編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)：OS_TASK_SW(),OS_IntCtxSw(),OSStartHighRdy()和OSTickISR()。
OSStartHighRdy()代碼如下：
LDR r4, addr_OSTCBCur
;獲得當(dāng)前任務(wù)TCB地址
LDR r5, addr_OSTCBHighRdy
;獲得優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)TCB地址
……
;恢復(fù)CPU工作模式
LDMFD sp!, {r4}
MSR SPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r4}
MSR CPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!， {r0-r12, lr, pc}
OS_TASK_SW( )函數(shù)匯編代碼如下：
STMFD sp!, {lr} ;保存pc
STMFD sp!, {lr} ;保存lr
STMFD sp!, {r0～r12}
;保存寄存器和返回地址
……
;得到當(dāng)前任務(wù)TCB地址
LDR r4, addr_OSTCBCur
LDR r5, [r4]
STR sp, [r5]
;保存sp在被占先任務(wù)的TCB
;得到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB地址
LDR r6, addr_OSTCBHighRdy
LDR r6, [r6]
LDR sp, [r6]
;得到新任務(wù)堆棧指針
;OSTCBCur ＝ OSTCBHighRdy
STR r6, [r4]
;設(shè)置新的當(dāng)前任務(wù)的TCB地址
……
OSIntCtxSw()函數(shù)匯編代碼如下：
LDR sp，＝IRQ_STACK
SUB r7, sp, #4
;將處理器切換到管理模式
MRS r1, SPSR
ORR r1, r1, #0xC0
MSR CPSR_cxsf, r1
;完成模式切換
……
STMFD sp!, {r4}
;保存程序狀態(tài)寄存器
……
OS_CPU_C.C需要用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)：OSTaskStkInt()，OStaskCreateHooK()，OStaskDelHook()，OStaskSwHook()，OStaskStatHook()， OSTimeTickHook()。必須編寫(xiě)的是OSTaskStkInt()，其余5個(gè)函數(shù)必須聲明但可以不編寫(xiě)代碼。
void *OSTaskStkInit(void(*task)(void *pd),void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{ OS_STK *stk;
opt = opt
//防止編譯錯(cuò)誤
stk = ptos;
//裝載堆棧指針
……
*--stk = (USER_USING_MODE|0x00);
//spsr,允許IRQ,FIQ中斷
*--stk = ();
//關(guān)中斷計(jì)數(shù)器OsEnterSum
return (stk);
}
下來(lái)要做的就是LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植，即就是把與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)放在/src/arch目錄下。LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它文件一般不做修改。首先要修改與CPU或編譯器相關(guān)的文件，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，字的高低位順序等要和用戶實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ移植時(shí)定義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度參數(shù)是一致的；然后要修改與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；最后是庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，如u16_t htons();u16_t ntohs(); u32_t htonl();u32_t ntohl();int strlen(); int strncmp(); void bcopy(); void bzero();
前4個(gè)函數(shù)由用戶自己實(shí)現(xiàn)，而ADS編譯器中庫(kù)里面已經(jīng)有了后四個(gè)函數(shù)。用戶在其它CPU上實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)自己的編譯器來(lái)決定。
LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植結(jié)束后，剩下的工作就是編寫(xiě)應(yīng)用程序。將系統(tǒng)劃分成若干個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的無(wú)限循環(huán)的主程序，完成一個(gè)特定的功能。系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的劃分是根據(jù)任務(wù)的重要性而定的，當(dāng)然還要考慮到系統(tǒng)的安全性因素。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序采用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，即應(yīng)用程序在執(zhí)行的過(guò)程中各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)保持不變。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)搭建好了以后，用C編寫(xiě)各個(gè)任務(wù)就容易多了。主程序中關(guān)鍵代碼如下：
#define TASK_STK_SIZE 64
;聲明任務(wù)堆棧
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]
;開(kāi)始任務(wù)堆棧
OS_STK TaskWatchStk[TASK_STK_SIZE]
;監(jiān)視任務(wù)堆棧
……
void TaskWatch(void *data)
;聲明監(jiān)視任務(wù)的函數(shù)原型
……
void main(void)
{ OSInit()
/*初始化μC/OS-Ⅱ*/
OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,& TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0);
OSStart();
/*開(kāi)始多任務(wù)*/
}
void TaskStart(void *data)
{ data=data;
/*防止編譯器錯(cuò)誤*/
……}
將主程序和μC/OS-Ⅱ中的系統(tǒng)文件放在同一工程下，進(jìn)行編譯即可。為了提高執(zhí)行效率，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用修改μC/OS-Ⅱ的部分常用代碼，甚至剪切掉某些不必要的代碼。
4、結(jié)束語(yǔ)
基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方案在硬件上簡(jiǎn)潔可靠；軟件可維護(hù)性好，可擴(kuò)展性好，有利于系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。隨著嵌入式產(chǎn)品研究的深入，網(wǎng)絡(luò)接口芯片的研究也會(huì)快速發(fā)展，是智能化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更趨向簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)、成熟。可以看出，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到更大的發(fā)展和更廣闊的應(yīng)用。
