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嵌入式實時操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的設(shè)計

時間:2007-12-26 16:30:00來源:liujie

導(dǎo)語:?近年來,嵌入式實時操作系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后將使遠程監(jiān)測、遠程控制、遠程診斷和遠程維護變得越來越容易。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。
1、引言 近年來,嵌入式實時操作系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后將使遠程監(jiān)測、遠程控制、遠程診斷和遠程維護變得越來越容易。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。
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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,它通過標準的輸入、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標準。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標準,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,F(xiàn)IQ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、標準、成熟??梢钥闯?,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。

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