近年來，嵌入式實時操作系統接入網絡后將使遠程監測、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，嵌入式設備接入網絡，當前基本上所采用的網絡協議是基于TCP/IP通信協議。
由于嵌入式系統是以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減并對成本、體積、功耗有嚴格要求的專用系統，它對TCP/IP通信協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與網絡構件的體系結構。
本方案以LPC2210為核心元件研究了嵌入式實時操作系統與網絡構件的硬件電路，同時在μC/OS-Ⅱ平臺上編寫了應用軟件程序。
2、嵌入式實時操作系統與網絡構件的系統整體結構
嵌入式實時操作系統與網絡構件的硬件原理圖如圖1所示。系統采用PHILIPS公司LPC2210微處理器，外擴一片FLASH SST 39VF160，并接入RTL8019AS以太網芯片(Webchip)，再與接口連接器HR901170A相連。并將開放源代碼的TCP/IP協議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ系統上。
圖1 硬件結構原理圖
RTL8019AS以太網芯片(Webchip)是獨立于各種微控制器的專用網絡接口芯片，它通過標準的輸入、輸出口與MCU相連。具有16位的數據總線和24為的地址總線，并且內部集成了DMA控制器、ISA總線控制器和集成16k SRAM、網絡PHY收發器，兼容NE2k標準。用戶可以通過DMA方式把需要發送的數據寫入片內SRAM中，讓芯片自動將數據發送出去；而芯片接收到數據后，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的RJ45接口連接器(帶網絡變壓器/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系統就可以連接到以太網上了。
該方案設計相對簡單，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，能夠基于芯片設計復雜的系統。雖然LPC2210具有較快的訪問速度，但片內沒有集成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與網絡構件的軟件設計
為使嵌入式實時操作系統與網絡構件具有交好的實時性和穩定性，在實時多任務操作系統μC/OS-Ⅱ平臺上設計系統軟件。系統中各個任務在宏觀上按照一定的關系并行工作，CPU資源得到充分利用，系統可靠性得到很大的保證，方便組織開發任務。在μC/OS-Ⅱ平臺上，軟件設計工作主要包括三個方面的內容：μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和LwIP協議在μC/OS-Ⅱ上的實現以及系統應用軟件的編寫。本設計的系統結構圖如圖2所示：
圖2 系統結構圖
該系統采用源碼公開的嵌入式實時操作系統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。它采用優先級搶占式調度方案，優先級最高的任務一旦準備就緒，則擁有CPU的所有權并開始投入運行。μC/OS-Ⅱ的軟硬件體系結構圖如圖3所示。應用程序建立在操作系統之上，處于系統的頂層，每個任務在宏觀上是并行運行。與CPU類型無關的代碼提供了系統服務，即內核、任務管理、內存管理等。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硬件和軟件體系結構原理圖
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用于系統應用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來設置堆棧的增長方向。因此將OS_STK_GROWTH設為1。
OS_CPU_A.ASM中需要編寫4個匯編語言函數：OS_TASK_SW(),OS_IntCtxSw(),OSStartHighRdy()和OSTickISR()。
OSStartHighRdy()代碼如下：
LDR r4, addr_OSTCBCur
;獲得當前任務TCB地址
LDR r5, addr_OSTCBHighRdy
;獲得優先級最高任務TCB地址
……
;恢復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TCB地址
LDR r4, addr_OSTCBCur
LDR r5, [r4]
STR sp, [r5]
;保存sp在被占先任務的TCB
;得到最高優先級任務的TCB地址
LDR r6, addr_OSTCBHighRdy
LDR r6, [r6]
LDR sp, [r6]
;得到新任務堆棧指針
;OSTCBCur ＝ OSTCBHighRdy
STR r6, [r4]
;設置新的當前任務的TCB地址
……
OSIntCtxSw()函數匯編代碼如下：
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}
;保存程序狀態寄存器
……
OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個與操作系統相關的函數：OSTaskStkInt()，OStaskCreateHooK()，OStaskDelHook()，OStaskSwHook()，OStaskStatHook()， OSTimeTickHook()。必須編寫的是OSTaskStkInt()，其余5個函數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 = ();
//關中斷計數器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、編譯器相關的部分獨立出來放在/src/arch目錄下。LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實現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或編譯器相關的文件，如數據長度，字的高低位順序等要和用戶實現μC/OS-Ⅱ移植時定義的數據長度參數是一致的；然后要修改與操作系統相關的函數與數據結構；最后是庫函數的實現，如u16_t htons();u16_t ntohs(); u32_t htonl();u32_t ntohl();int strlen(); int strncmp(); void bcopy(); void bzero();
前4個函數由用戶自己實現，而ADS編譯器中庫里面已經有了后四個函數。用戶在其它CPU上實現時應根據自己的編譯器來決定。
LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植結束后，剩下的工作就是編寫應用程序。將系統劃分成若干個任務，每個任務對應一個獨立的無限循環的主程序，完成一個特定的功能。系統任務優先級的劃分是根據任務的重要性而定的，當然還要考慮到系統的安全性因素。為簡化設計，應用程序采用靜態優先級，即應用程序在執行的過程中各個任務優先級保持不變。系統的軟件架構搭建好了以后，用C編寫各個任務就容易多了。主程序中關鍵代碼如下：
#define TASK_STK_SIZE 64
;聲明任務堆棧
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]
;開始任務堆棧
OS_STK TaskWatchStk[TASK_STK_SIZE]
;監視任務堆棧
……
void TaskWatch(void *data)
;聲明監視任務的函數原型
……
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*/
}
void TaskStart(void *data)
{ data=data;
/*防止編譯器錯誤*/
……}
將主程序和μC/OS-Ⅱ中的系統文件放在同一工程下，進行編譯即可。為了提高執行效率，可以根據實際應用修改μC/OS-Ⅱ的部分常用代碼，甚至剪切掉某些不必要的代碼。
4、結束語
基于嵌入式實時操作系統與網絡構件的設計方案在硬件上簡潔可靠；軟件可維護性好，可擴展性好，有利于系統的后續開發，降低了系統設計的復雜性。隨著嵌入式產品研究的深入，網絡接口芯片的研究也會快速發展，是智能化產品的設計更趨向簡單、標準、成熟。可以看出，嵌入式實時操作系統與網絡將會得到更大的發展和更廣闊的應用。
