嵌入式实时操作系统与网络构件的设计

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jshfq 发表于 2007/12/27 12:12:47 765 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]

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嵌入式实时操作系统与网络构件的设计

1、引言

近年来，嵌入式实时操作系统接入网络后将使远程监测、远程控制、远程诊断和远程维护变得越来越容易。从根本上讲，嵌入式设备接入网络，当前基本上所采用的网络协议是基于TCP/IP通信协议。

由于嵌入式系统是以计算机技术为基础、软硬件可裁减并对成本、体积、功耗有严格要求的专用系统，它对TCP/IP通信协议的支持有其自身的特点，这些特点也决定嵌入式实时操作系统与网络构件的体系结构。

本方案以LPC2210为核心元件研究了嵌入式实时操作系统与网络构件的硬件电路，同时在μC/OS-Ⅱ平台上编写了应用软件程序。

2、嵌入式实时操作系统与网络构件的系统整体结构

嵌入式实时操作系统与网络构件的硬件原理图如图1所示。系统采用PHILIPS公司LPC2210微处理器，外扩一片FLASH SST 39VF160，并接入RTL8019AS以太网芯片（Webchip），再与接口连接器HR901170A相连。并将开放源代码的TCP/IP协议栈 LwIP移植到μC/OS-Ⅱ系统上。

图1 硬件结构原理图

RTL8019AS以太网芯片（Webchip）是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与MCU相连。具有16位的数据总线和24为的地址总线，并且内部集成了DMA控制器、ISA总线控制器和集成16k SRAM、网络PHY收发器，兼容NE2k标准。用户可以通过DMA方式把需要发送的数据写入片内SRAM中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片接收到数据后，用户可以通过DMA方式将其读出。

HR901170A是中山市汉仁电子有限公司生产的RJ45接口连接器（带网络变压器/滤波器），该连接器满足IEEE802.3和IEEE902.3ab标准，能够较好的抑制电磁干扰。通过HR901170A系统就可以连接到以太网上了。

该方案设计相对简单，硬件电路中采用的LPC2210是PHILIPS公司推出的微处理器，带有16k RAM，76个通用I/O口，12个独立外部中断引脚，集成有8通道的10位A/D，能够基于芯片设计复杂的系统。虽然LPC2210具有较快的访问速度，但片内没有集成FLASH，所以这里扩展一片16Mbit FLASH SST 39VF160保存用户程序。其架构满足了μC/OS-Ⅱ正常运行的基本要求。

3、嵌入式实时操作系统与网络构件的软件设计

为使嵌入式实时操作系统与网络构件具有交好的实时性和稳定性，在实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ平台上设计系统软件。系统中各个任务在宏观上按照一定的关系并行工作，CPU资源得到充分利用，系统可靠性得到很大的保证，方便组织开发任务。在μC/OS-Ⅱ平台上，软件设计工作主要包括三个方面的内容： μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和LwIP协议在μC/OS-Ⅱ上的实现以及系统应用软件的编写。本设计的系统结构图如图2所示：

图2 系统结构图

该系统采用源码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ，版本号为V2.52。其特点是源码公开、可读性强、移植性好、可配置、可裁剪。它采用优先级抢占式调度方案，优先级最高的任务一旦准备就绪，则拥有CPU的所有权并开始投入运行。μC/OS-Ⅱ的软硬件体系结构图如图3所示。应用程序建立在操作系统之上，处于系统的顶层，每个任务在宏观上是并行运行。与CPU类型无关的代码提供了系统服务，即内核、任务管理、内存管理等。μC/OS-Ⅱ的移植部分用于完成与不同处理器的接口工作。μC/OS-Ⅱ的移植必须要求处理器及其编译器满足一定的条件。

图3 μC/OS-Ⅱ硬件和软件体系结构原理图

μC/OS-Ⅱ的移植工作主要集中在下面几个文中：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。另外，在INCLUDES.H中必须包括LPC2210文件LPC2210.H；OS_CFG.H用于系统应用μC/OS-Ⅱ中的初始化配置。OS_CPU.H主要包括了一些与处理器和编译器相关的常量和类型定义等，而且要注意的是LPC2210的堆栈方向是由高到低，用OS_STK_GROWTH来设置堆栈的增长方向。因此将 OS_STK_GROWTH设为1。

    OS_CPU_A.ASM中需要编写4个汇编语言函数：OS_TASK_SW（），OS_IntCtxSw（），OSStartHighRdy（）和OSTickISR（）。

    OSStartHighRdy（）代码如下：
    LDR  r4， addr_OSTCBCur
    ；获得当前任务TCB地址
    LDR  r5， addr_OSTCBHighRdy
    ；获得优先级最高任务TCB地址
    ……
    ；恢复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（）函数汇编代码如下：
    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
    ……
    ；得到当前任务TCB地址
    LDR  r4， addr_OSTCBCur
    LDR  r5， [r4]
    STR  sp， [r5]
    ；保存sp在被占先任务的TCB
    ；得到最高优先级任务的TCB地址
    LDR  r6，addr_OSTCBHighRdy
    LDR  r6，[r6]
    LDR  sp， [r6]
    ；得到新任务堆栈指针
    ；OSTCBCur ＝ OSTCBHighRdy
    STR  r6， [r4]
    ；设置新的当前任务的TCB地址
    ……
    OSIntCtxSw（）函数汇编代码如下：
    LDR  sp，＝IRQ_STACK
    SUB  r7， sp，#4
    ；将处理器切换到管理模式
    MRS  r1， SPSR
    ORR  r1， r1， #0xC0
    MSR  CPSR_cxsf，r1
    ；完成模式切换
    ……
    STMFD  sp!, ｛r4｝
    ；保存程序状态寄存器
    ……
    OS_CPU_C.C需要用C语言编写6个与操作系统相关的函数：OSTaskStkInt（），OStaskCreateHooK（）， OStaskDelHook（），OStaskSwHook（），OStaskStatHook（），  OSTimeTickHook（）。必须编写的是OSTaskStkInt（），其余5个函数必须声明但可以不编写代码。
    void ＊OSTaskStkInit（void（＊task）（void ＊pd），void ＊pdata， OS_STK ＊ptos， INT16U opt）
    ｛ OS_STK ＊stk；
    opt = opt
    //防止编译错误
    stk = ptos；
    //装载堆栈指针
    ……
    ＊——stk = （USER_USING_MODE|0x00）；
    //spsr，允许IRQ，FIQ中断
    ＊——stk = （）；
    //关中断计数器OsEnterSum
     return （stk）；
    ｝
    下来要做的就是LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植，即就是把与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来放在/src/arch目录下。LwIP在μC/OS -Ⅱ上的实现就是修改这个目录下的文件，其它文件一般不做修改。首先要修改与CPU或编译器相关的文件，如数据长度，字的高低位顺序等要和用户实现 μC/OS-Ⅱ移植时定义的数据长度参数是一致的；然后要修改与操作系统相关的函数与数据结构；最后是库函数的实现，如u16_t htons（）；u16_t ntohs（）；u32_t htonl（）；u32_t ntohl（）；int strlen（）； int strncmp（）； void bcopy（）；void bzero（）；

前4个函数由用户自己实现，而ADS编译器中库里面已经有了后四个函数。用户在其它CPU上实现时应根据自己的编译器来决定。

    LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植结束后，剩下的工作就是编写应用程序。将系统划分成若干个任务，每个任务对应一个独立的无限循环的主程序，完成一个特定的功能。系统任务优先级的划分是根据任务的重要性而定的，当然还要考虑到系统的安全性因素。为简化设计，应用程序采用静态优先级，即应用程序在执行的过程中各个任务优先级保持不变。系统的软件架构搭建好了以后，用C编写各个任务就容易多了。主程序中关键代码如下：
    #define  TASK_STK_SIZE    64
    ；声明任务堆栈
    OS_STK  TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]
    ；开始任务堆栈
    OS_STK  TaskWatchStk[TASK_STK_SIZE]
    ；监视任务堆栈
    ……
    void TaskWatch（void ＊data）
    ；声明监视任务的函数原型
    ……
    void main（void）
    ｛ OSInit（）
    /＊初始化μC/OS-Ⅱ＊/
    OSTaskCreate（TaskStart，（void＊）0，& TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1]，0）；
    OSStart（）；
    /＊开始多任务＊/
    ｝
    void TaskStart（void ＊data）
    ｛ data=data；
    /＊防止编译器错误＊/
    ……｝
    将主程序和μC/OS-Ⅱ中的系统文件放在同一工程下，进行编译即可。为了提高执行效率，可以根据实际应用修改μC/OS-Ⅱ的部分常用代码，甚至剪切掉某些不必要的代码。

4、结束语

基于嵌入式实时操作系统与网络构件的设计方案在硬件上简洁可靠；软件可维护性好，可扩展性好，有利于系统的后续开发，降低了系统设计的复杂性。随着嵌入式产品研究的深入，网络接口芯片的研究也会快速发展，是智能化产品的设计更趋向简单、标准、成熟。可以看出，嵌入式实时操作系统与网络将会得到更大的发展和更广阔的应用。

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