摘  要： μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統的源碼開放的占先式實時多任務操作系統。本文討論了基于μC/OS-II嵌入式系統的網絡通信實現，包括μC/OS-II實時操作系統、LwIP協議棧的移植和網絡設備驅動程序的建立以及系統任務的調度。
關鍵詞： μC/OS-II操作系統  LwIP協議棧  RTL8019AS  驅動程序  系統任務

　　嵌入式電網監測儀使用了嵌入式實時操作系統μC/OS-II和 LwIP協議棧，并成功運行在由S3C44BOX微處理器和RTL8019AS以太網控制器組成的硬件平臺。在實時操作系統和LwIP協議棧的驅動下，由微處理器實現數據采集、數據處理和采集模塊的控制功能，而以太網控制器通過以太網接收遠程主機的命令和向遠程主機發送采集數據及當前狀態信息。
1  μC/OS-II的移植
　　μC/OS-II是一種源碼公開且被廣泛應用、結構小巧、具有可剝奪實時內核的免費嵌入式操作系統。其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。它適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2KB。
　　移植μC/OS-II時，系統可以運行于用戶模式（User Mode），也可以運行于管理模式（Supervision Mode），大部分的移植都運行于管理模式。如果需要，也可以設置為在用戶模式運行，但進行處理模式的切換時必須由異常處理完成，這樣操作要復雜一些。
　　下面介紹在本系統中進行μC/OS-II移植時需要解決的主要問題。
　　(1)OS_CPU.H修改
此修改主要是改變與處理器、編譯器有關的數據類型和宏定義，S3C44BOX為32位微處理器，使用armcc編譯器。Char類型長度8位，Short類型長度16位，Int和Long類型長度32位。ARM 寄存器都是32 位的，所以將堆棧數據類型OS_STK 聲明為32位。所有的堆棧都必須使用OS_STK 聲明。
　　將開關中斷的宏OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL定義為OS_CPU_ASM.S中的函數ARMDisableINT和ARMEnableINT，用于屏蔽中斷和開中斷。
　　(2)OSTaskStkInit( )
　　OSTaskCreate( )和OSTaskCreateExt( )通過調用OSTask-StkInit( )來初始化任務的堆棧結構，因此，堆棧看起來就像剛發生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。
　　μC/OS-II為每個任務建立堆棧，用于保存處理器的寄存器。其結構體定義OS_STK[17]，任務堆棧空間由高至低依次保存著處理器工作模式(SVC模式)的pc、lr、r12、r11、r10……r1、r0、CPSR、SPSR。
　　μC/OS-II在OS_CPU_C.C中由任務堆棧初始化函數OSTaskStkInit，需要將任務棧內的CPSR 和SPSR 設為SVC 模式。
　　(3)OSCtxsw( )
　　用于任務級的上下文切換。當任務因為被阻塞而主動請求CPU調度時OSCtxsw( )被執行，此時的任務切換在非異常模式下進行。它的工作是先將當前任務的CPU現場保存到該任務堆棧中，然后獲得最高優先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的CPU現場，使之繼續執行。這樣就完成了一次任務切換。
　　(4)OSIntCtxSW( )
　　用于中斷級的任務切換。若在時鐘中斷ISR中發現有高優先級任務等待的時鐘信號到來，則在中斷退出后并不返回被中斷任務，而是直接調度就緒的高優先級任務執行，從而能夠盡快地使高優先級的任務得到響應，保證系統的實時性能。
　　OSIntCtxSW( )完成的工作為：向S3C44BOX的INTCON寄存器寫入值，將IRQ棧內保存的中斷CPU寄存器的值寫入被中斷的任務棧，將就緒的高優先級的任務棧內容寫入對應的CPU 寄存器。
　　(5)OSTickISR( )
　　時鐘中斷處理函數。其主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現OSTimeTick( )函數，如果有等待時鐘信號的高優先級任務，則需要在中斷級別上調度其執行。
　　OSTickISR( )是標準的中斷服務程序，函數的入口寫入ISR的中斷向量表。其實現的過程是：向S3C44BOX 的0x18寫入任意的數（0x18在ARM中是IRQ的中斷入口地址），讀取S3C44BOX的狀態寄存器清除中斷，保護CPU寄存器入棧，調用OSIntEnter( )對中斷嵌套標志加1。調用中斷服務程序OSTimeTick( )，調用OSIntExit( )判斷是否需要任務切換，如果需要則調用OSIntCtxSW( )來進行任務切換。若沒有調用任務切換函數OSCtxsw( )，則說明CPU寄存器入棧的工作已經在進入中斷時完成。
2  LwIP協議棧的移植
　　LwIP是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌人式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協議，包括帶IP和ICMP的TCP和UDP傳輸層，一個可選的BSD套接字API，還有一個零拷貝API。 LwIP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用。一般它只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運行，這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。
　　下面介紹在μC/OS-II操作平臺上移植LwIP的主要步驟。
2.1 與CPU或編譯器相關的include文件
　　/src/arch/include/arch目錄下cc.h、cpu.h、perf.h中，有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數據長度、字的高低位順序等，這些參數應該與實現μC/OS-II時定義的數據長度等參數是一致的。
2.2 改寫操作系統相關的函數
　　sys_arch.c中具有與操作系統相關的一些結構和函數，主要可以分為三個部分。
　　(1)進程間通信的函數
　　函數sys_sem_new( )、sys_sem_free( )、sys_sem_signal( )、sys_arch_sem_wait( )、sys_mbox_new( )、sys_mbox_free( )、sys_mbox_post( )、sys_arch_mbox_fetch( )的功能在μC/OS-II中基本都有，但要注意這里的mbox要用μC/OS-II中的消息隊列實現。但是，μC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎上重新實現。而有一些mbox只可能有一個消息，可以用郵箱實現。另外函數sys_sem_free( )和sys_mbox_free( )不易實現，可以采用從空閑隊列中動態分配和回收的方法。
　　(2)sys_arch_timeout( )
　　LwIP中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現為：每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度以及超時后應調用的timeout函數，該函數可以做一些釋放連接和回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空(NULL)，說明該線程會對連接做永久的等待。
　　(3)sys_thread_new( )
　　LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程(tcpip_thread)，負責處理所有的tcp/ucp連接，各種網絡程序都通過tcpip線程與網絡交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程復雜度。
　　創建新線程的函數為：
　　void sys_thread_new(void(*thread)(void*arg)，void*arg)
　　在μC/OS-II中，沒有線程(thread)的概念，只有任務(task)。它已經提供了創建新任務的系統API調用OSTask-Create。因此，只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現sys_thread_new。需要注意的是：LwIP中的thread并沒有μC/OS-II中優先級的概念，實現時要由用戶事先為LwIP中創建的線程分配好優先級。
2.3 lib_arch中庫函數的實現
　　在ARM SDT 2.開發環境下，gcc編譯器的lib庫里已經有了LwIP協議棧中系統CPU或編輯器有關的外部函數：strlen( )、strcmp( )、bcopy( )、bzero( )，只需要編寫htons( )、ntohs( )、htonl( )、ntohl( )即可。
3  網絡設備驅動程序
　　基于RTL8019AS網絡芯片驅動的編寫，主要是進行相關寄存器的設置。以太網控制器RTL8019AS通過MAC引擎實現接收、裝配發送物理幀，并能與系統微處理器通過ISA總線交換數據。LwIP協議棧中，網絡接口層負責接收上層的IP數據報，裝配成不完整的物理幀后復制到控制器片內RAM中，并通過控制器發送到傳輸介質上，發送時由控制器裝配成完整的物理幀；或者將控制器中緩存的接收到的物理幀先復制到系統內存，然后抽出IP數據報，交給IP層進行處理。修改ethernetif.c文件，實現底層的輸入輸出。
3.1 網卡初始化函數
　　void ethernetif_init(struct netif*netif)用于初始化網卡，在程序啟動之初被調用。這里主要完成網卡的復位操作以及通過對各個寄存器賦值，確定網卡的工作方式等。
3.2 網卡發送函數
　　函數err_t ethernetif_output(struct netif*netif，struct pbuf*p，struct ip_addr*ipaddr)為IP層傳來的IP報文加上以太網包頭并通過網絡接口發送。RTL8019AS使用遠端DMA將封裝好的以太網包寫到RTL8019AS內部的雙口RAM的發送緩沖環中，然后啟動本地DMA，網卡自動發送緩沖環里的數據到以太網。
　　發送過程有三個步驟：數據包的封裝；通過遠程DMA將數據包送到數據發送緩沖區；通過RTL8019的本地DMA將數據送入FIFO進行發送。
3.3 網卡接收函數
　　函數void ethernetif_input(struct netif*netif)從網絡接口接收以太網數據包并把其中的IP報文向IP層發送。網卡對于以太網上目的地為該網卡的包會自動啟動本地DMA接收數據，并存放在RTL8019AS芯片內部RAM的接收緩沖環中，然后以中斷的方式通知CPU。此時該函數使用遠端DMA接收數據到系統的RAM當中。
3.4 中斷處理函數
　　void ethernetif_isr(void)處理網卡相關的中斷，RTL8019AS接收到數據后，就通過中斷入口把接收數據的工作交給函數ethernetif_input（）來處理。
　　在實時多任務環境中，一般采用中斷方式處理RTL8019AS的收發。圖1是一個典型中斷處理程序(ISR)的流程。當主程序響應RTL8019AS的中斷時，ISR的入口將根據讀取的中斷狀態寄存器(ISR)的值來確定程序的走向。

4  系統任務
　　圖2是基于μC/OS-II的嵌入式系統的框架結構。按電網監測系統所要實現的功能，整個系統劃分為二個中斷程序和五個并行存在的任務層。

　　中斷程序按其優先級從高到低分別是網絡通信和數據采集。將系統的任務按其優先級從高到低順序排列的次序是：系統監控任務，鍵盤掃描任務，任務之間的通信，數據運算統計處理任務，液晶顯示任務。
　　在該電網遠程監測系統軟件中，系統監視任務優先權最高，最先進入運行態。該任務分別查詢每一個被監視的任務是否向其發送消息。如果沒有，則該任務進入掛起態。按優先權級別順序，鍵盤掃描任務將由就緒態轉為運行態。在該任務將要執行完畢時，向系統監視任務發送消息，然后執行延時函數將自身轉為掛起態，交出CPU使用權，讓其他任務得以執行。此時系統監視任務得到消息轉為運行態，繼續查詢其他被監視任務的運行消息。如果沒有，則進入掛起態，再次等待其他被監視任務的運行消息。系統按任務優先級繼續執行優先級高的就緒態任務，依次類推。
　　中斷發生時，系統將強行剝奪運行態任務時CPU的使用權，將它轉入中斷態并保存相關數據到堆棧區之后，執行中斷服務程序。在中斷返回時，系統返回函數將重新進行任務調度，將優先權最高的就緒態任務轉為運行態。
5  結束語
　　本系統應用于某電網監測中，實現電網參數的遠程網絡監控。系統各項指標完全達到設計要求，并可做到現場無人值守。
參考文獻
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