近年來，嵌入式實時操作系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后將使遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)變得越來越容易。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)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減并對成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用系統(tǒng)，它對TCP/IP通信協(xié)議的支持有其自身的特點，這些特點也決定嵌入式實時操作系統(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時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的硬件電路，同時在μC/OS-Ⅱ平臺上編寫了應(yīng)用軟件程序。

    2、嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    嵌入式實時操作系統(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)是獨立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它通過標(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DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動將數(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HR901170A系統(tǒng)就可以連接到以太網(wǎng)上了。

    該方案設(shè)計相對簡單，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個通用I/O口，12個獨立外部中斷引腳，集成有8通道的10位A/D，能夠基于芯片設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)。雖然LPC2210具有較快的訪問速度，但片內(nèi)沒有集成FLASH，所以這里擴展一片16Mbit FLASH SST 39VF160保存用戶程序。其架構(gòu)滿足了μC/OS-Ⅱ正常運行的基本要求。

    3、嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的軟件設(shè)計

    為使嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件具有交好的實時性和穩(wěn)定性，在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ平臺上設(shè)計系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)中各個任務(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，方便組織開發(fā)任務(wù)。在μC/OS-Ⅱ平臺上，軟件設(shè)計工作主要包括三個方面的內(nèi)容：μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和LwIP協(xié)議在μC/OS-Ⅱ上的實現(xiàn)以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編寫。本設(shè)計的系統(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)采用源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，版本號為V2.52。其特點是源碼公開、可讀性強、移植性好、可配置、可裁剪。它采用優(yōu)先級搶占式調(diào)度方案，優(yōu)先級最高的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，則擁有CPU的所有權(quán)并開始投入運行。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，每個任務(wù)在宏觀上是并行運行。與CPU類型無關(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來設(shè)置堆棧的增長方向。因此將OS_STK_GROWTH設(shè)為1。
    OS_CPU_A.ASM中需要編寫4個匯編語言函數(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語言編寫6個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)：OSTaskStkInt()，OStaskCreateHooK()，OStaskDelHook()，OStaskSwHook()，OStaskStatHook()，  OSTimeTickHook()。必須編寫的是OSTaskStkInt()，其余5個函數(shù)必須聲明但可以不編寫代碼。

    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)中斷計數(shù)器OsEnterSum
     return (stk);
    }

    下來要做的就是LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植，即就是把與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨立出來放在/src/arch目錄下。LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，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)長度，字的高低位順序等要和用戶實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ移植時定義的數(shù)據(jù)長度參數(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)；最后是庫函數(shù)的實現(xiàn)，如u16_t htons();u16_t ntohs(); u32_t htonl();u32_t ntohl();int strlen(); int strncmp(); void bcopy(); void bzero(); 

    前4個函數(shù)由用戶自己實現(xiàn)，而ADS編譯器中庫里面已經(jīng)有了后四個函數(shù)。用戶在其它CPU上實現(xiàn)時應(yīng)根據(jù)自己的編譯器來決定。

    LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植結(jié)束后，剩下的工作就是編寫應(yīng)用程序。將系統(tǒng)劃分成若干個任務(wù)，每個任務(wù)對應(yīng)一個獨立的無限循環(huán)的主程序，完成一個特定的功能。系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級的劃分是根據(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。為簡化設(shè)計，應(yīng)用程序采用靜態(tài)優(yōu)先級，即應(yīng)用程序在執(zhí)行的過程中各個任務(wù)優(yōu)先級保持不變。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)搭建好了以后，用C編寫各個任務(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();
    /*開始多任務(wù)*/
    }
    void TaskStart(void *data)
    { data=data;
    /*防止編譯器錯誤*/
    ……}

    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

    基于嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的設(shè)計方案在硬件上簡潔可靠；軟件可維護(hù)性好，可擴展性好，有利于系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(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快速發(fā)展，是智能化產(chǎn)品的設(shè)計更趨向簡單、標(biāo)準(zhǔn)、成熟。可以看出，嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)將會得到更大的發(fā)展和更廣闊的應(yīng)用。