嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀成功運(yùn)用了S3C44BOX微處理器和RTL8019AS以太網(wǎng)控制器組成的硬件平臺,，并結(jié)合了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和 LwIP協(xié)議棧,。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧的驅(qū)動(dòng)下,，由微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和采集模塊的控制功能,。嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀具有極高的性能價(jià)格比,，可以直接取代常規(guī)電力變送器、測量指示儀表,、電能計(jì)量儀表以及相關(guān)的輔助單元,，具有安裝方便,、接線簡單、維護(hù)方便,，工程量小,、現(xiàn)場可編程設(shè)置輸入?yún)?shù)的特點(diǎn)。μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的源碼開放的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),。本文討論了基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn),，包括μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、LwIP協(xié)議棧的移植和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的建立以及系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度,。

　　1  μC/OS-II的移植

　　μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理,、時(shí)間管理,、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱,，消息 隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能,。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉,，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行,，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化,。多任務(wù)系統(tǒng)中,，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU 時(shí)間,，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通訊,。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。μC/OS-II可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù),。由于它的作者占用和保留了8個(gè)任務(wù),，所以留給用戶應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)。賦予各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級必須是不相同的,。這意味著μC/OS-II不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法（round-robin scheduli ng）,。

　　μC /OS-II是一個(gè)完整的、可移植,、可固化,、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的,，包含一小部分匯編代碼,，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位,，μC/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)上的微處理器上運(yùn)行,。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，包括很多領(lǐng)域,， 如手機(jī),、路由器、集線器,、不間斷電源,、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制上,。它適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高,、占用空間小,、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2KB,。

　　移植μC/OS-II時(shí),，系統(tǒng)可以運(yùn)行于用戶模式（User Mode），也可以運(yùn)行于管理模式（Supervision Mode）,，大部分的移植都運(yùn)行于管理模式,。如果需要，也可以設(shè)置為在用戶模式運(yùn)行,，但進(jìn)行處理模式的切換時(shí)必須由異常處理完成,，這樣操作要復(fù)雜一些。

　　下面介紹在本系統(tǒng)中進(jìn)行μC/OS-II移植時(shí)需要解決的主要問題,。
 

　?。?）OS_CPU.H修改

　　此修改主要是改變與處理器、編譯器有關(guān)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)中斷的宏OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL定義為OS_CPU_ASM.S中的函數(shù)ARMDisableINT和ARMEnableINT,，用于屏蔽中斷和開中斷,。

　　（2）OSTaskStkInit（ ）

　　OSTaskCreate（ ）和OSTaskCreateExt（ ）通過調(diào)用OSTask-StkInit（ ）來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，因此,，堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)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(gè)任務(wù)建立堆棧,，用于保存處理器的寄存器,。其結(jié)構(gòu)體定義OS_STK[17]，任務(wù)堆?？臻g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(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit,，需要將任務(wù)棧內(nèi)的CPSR 和SPSR 設(shè)為SVC 模式,。

　　（3）OSCtxsw（ ）

　　用于任務(wù)級的上下文切換,。當(dāng)任務(wù)因?yàn)楸蛔枞鲃?dòng)請求CPU調(diào)度時(shí)OSCtxsw（ ）被執(zhí)行,，此時(shí)的任務(wù)切換在非異常模式下進(jìn)行。它的工作是先將當(dāng)前任務(wù)的CPU現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中,，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針,，從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)行,。這樣就完成了一次任務(wù)切換,。

　　（4）OSIntCtxSW（ ）

　　用于中斷級的任務(wù)切換,。若在時(shí)鐘中斷ISR中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級任務(wù)等待的時(shí)鐘信號到來,，則在中斷退出后并不返回被中斷任務(wù)，而是直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行,，從而能夠盡快地使高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應(yīng),，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

　　OSIntCtxSW（ ）完成的工作為：向S3C44BOX的INTCON寄存器寫入值,，將IRQ棧內(nèi)保存的中斷CPU寄存器的值寫入被中斷的任務(wù)棧,，將就緒的高優(yōu)先級的任務(wù)棧內(nèi)容寫入對應(yīng)的CPU 寄存器。

　?。?）OSTickISR（ ）

　　時(shí)鐘中斷處理函數(shù),。其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時(shí)鐘中斷,，調(diào)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)OSTimeTick（ ）函數(shù)，如果有等待時(shí)鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù),，則需要在中斷級別上調(diào)度其執(zhí)行,。

　　OSTickISR（ ）是標(biāo)準(zhǔn)的中斷服務(wù)程序，函數(shù)的入口寫入ISR的中斷向量表,。其實(shí)現(xiàn)的過程是：向S3C44BOX 的0x18寫入任意的數(shù)（0x18在ARM中是IRQ的中斷入口地址）,，讀取S3C44BOX的狀態(tài)寄存器清除中斷，保護(hù)CPU寄存器入棧,，調(diào)用OSIntEnter（ ）對中斷嵌套標(biāo)志加1,。調(diào)用中斷服務(wù)程序OSTimeTick（ ），調(diào)用OSIntExit（ ）判斷是否需要任務(wù)切換,，如果需要?jiǎng)t調(diào)用OSIntCtxSW（ ）來進(jìn)行任務(wù)切換,。若沒有調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)OSCtxsw（ ），則說明CPU寄存器入棧的工作已經(jīng)在進(jìn)入中斷時(shí)完成,。

　　2  LwIP協(xié)議棧的移植

　　lwip是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院的一個(gè)開源的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn),。lwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。lwIP協(xié)議棧主要關(guān)注的是怎么樣減少內(nèi)存的使用和代碼的大小,，這樣就可以讓lwIP適用于資源有限的小型平臺例如嵌入式系統(tǒng),。為了簡化處理過程和內(nèi)存要求,，lwIP對API進(jìn)行了裁減,，可以不需要復(fù)制一些數(shù)據(jù)。LwIP是Light Weight （輕型）IP協(xié)議,，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行,。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM 的占用，一般它只需要幾百字節(jié)的RAM和40K左右的ROM就可以運(yùn)行,，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)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(guān)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(guān)的定義,，如數(shù)據(jù)長度,、字的高低位順序等，這些參數(shù)應(yīng)該與實(shí)現(xiàn)μC/OS-II時(shí)定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)是一致的,。

　　2.2 改寫操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)

　　sys_arch.c中具有與操作系統(tǒng)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù),，主要可以分為三個(gè)部分。

　?。?）進(jìn)程間通信的函數(shù)

　　函數(shù)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(duì)列實(shí)現(xiàn)。但是,，μC/OS-II沒有對消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理,，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn),。而有一些mbox只可能有一個(gè)消息,，可以用郵箱實(shí)現(xiàn)。另外函數(shù)sys_sem_free（ ）和sys_mbox_free（ ）不易實(shí)現(xiàn),，可以采用從空閑隊(duì)列中動(dòng)態(tài)分配和回收的方法,。

　　（2）sys_arch_timeout（ ）

　　LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性,，即等待超時(shí)時(shí)間,。這個(gè)屬性表現(xiàn)為：每個(gè)線程都對應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線程的timeout時(shí)間長度以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù),，該函數(shù)可以做一些釋放連接和回收資源的工作,。如果一個(gè)線程對應(yīng)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(yùn)行,，即只有一個(gè)tcpip線程（tcpip_thread），負(fù)責(zé)處理所有的tcp/ucp連接,，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互,。但LwIP也可以多線程運(yùn)行，以提高效率,，降低編程復(fù)雜度,。

　　創(chuàng)建新線程的函數(shù)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(wù)（task）。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTask-Create,。因此,，只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實(shí)現(xiàn)sys_thread_new,。需要注意的是：LwIP中的thread并沒有μC/OS-II中優(yōu)先級的概念,，實(shí)現(xiàn)時(shí)要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級,。

　　2.3 lib_arch中庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　在ARM SDT 2.開發(fā)環(huán)境下，gcc編譯器的lib庫里已經(jīng)有了LwIP協(xié)議棧中系統(tǒng)CPU或編輯器有關(guān)的外部函數(shù)：strlen（ ）,、strcmp（ ）,、bcopy（ ）、bzero（ ）,，只需要編寫htons（ ）,、ntohs（ ）、htonl（ ）,、ntohl（ ）即可,。

　　3  網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　基于RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)的編寫，主要是進(jìn)行相關(guān)寄存器的設(shè)置,。LwIP協(xié)議棧中,，網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)接收上層的IP數(shù)據(jù)報(bào)，裝配成不完整的物理幀后復(fù)制到控制器片內(nèi)RAM中,，并通過控制器發(fā)送到傳輸介質(zhì)上,，發(fā)送時(shí)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(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存,，然后抽出IP數(shù)據(jù)報(bào),，交給IP層進(jìn)行處理。修改ethernetif.c文件,，實(shí)現(xiàn)底層的輸入輸出,。

　　RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器，它在一塊芯片上集成了RTL8019內(nèi)核和一個(gè)16KB的SDRAM存儲器,。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8bit或16bit的傳輸,，支持UTP,AUI,BNC和PNP自動(dòng)檢測模式,，支持外接閃爍存儲器讀寫操作,，支持I/O口地址的完全解碼，具有LED指示功能,。

　　3.1 網(wǎng)卡初始化函數(shù)

　　void ethernetif_init（struct netif*netif）用于初始化網(wǎng)卡,，在程序啟動(dòng)之初被調(diào)用。這里主要完成網(wǎng)卡的復(fù)位操作以及通過對各個(gè)寄存器賦值,，確定網(wǎng)卡的工作方式等,。

　　3.2 網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)

　　函數(shù)err_t ethernetif_output（struct netif*netif，struct pbuf*p,，struct ip_addr*ipaddr）為IP層傳來的IP報(bào)文加上以太網(wǎng)包頭并通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送,。RTL8019AS使用遠(yuǎn)端DMA將封裝好的以太網(wǎng)包寫到RTL8019AS內(nèi)部的雙口RAM的發(fā)送緩沖環(huán)中，然后啟動(dòng)本地DMA,，網(wǎng)卡自動(dòng)發(fā)送緩沖環(huán)里的數(shù)據(jù)到以太網(wǎng),。

　　發(fā)送過程有三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)包的封裝,；通過遠(yuǎn)程DMA將數(shù)據(jù)包送到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；通過RTL8019的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進(jìn)行發(fā)送,。

　　3.3 網(wǎng)卡接收函數(shù)

　　函數(shù)void ethernetif_input（struct netif*netif）從網(wǎng)絡(luò)接口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并把其中的IP報(bào)文向IP層發(fā)送,。網(wǎng)卡對于以太網(wǎng)上目的地為該網(wǎng)卡的包會自動(dòng)啟動(dòng)本地DMA接收數(shù)據(jù)，并存放在RTL8019AS芯片內(nèi)部RAM的接收緩沖環(huán)中,，然后以中斷的方式通知CPU,。此時(shí)該函數(shù)使用遠(yuǎn)端DMA接收數(shù)據(jù)到系統(tǒng)的RAM當(dāng)中。

　　3.4 中斷處理函數(shù)

　　void ethernetif_isr（void）處理網(wǎng)卡相關(guān)的中斷,，RTL8019AS接收到數(shù)據(jù)后,，就通過中斷入口把接收數(shù)據(jù)的工作交給函數(shù)ethernetif_input（）來處理。

　　在實(shí)時(shí)多任務(wù)環(huán)境中,，一般采用中斷方式處理RTL8019AS的收發(fā),。圖1是一個(gè)典型中斷處理程序（ISR）的流程。當(dāng)主程序響應(yīng)RTL8019AS的中斷時(shí),，ISR的入口將根據(jù)讀取的中斷狀態(tài)寄存器（ISR）的值來確定程序的走向,。

　　4  系統(tǒng)任務(wù)

　　圖2是基于μC/OS-II的嵌入式系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。按電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,，整個(gè)系統(tǒng)劃分為二個(gè)中斷程序和五個(gè)并行存在的任務(wù)層,。

　　中斷程序按其優(yōu)先級從高到低分別是網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集。將系統(tǒng)的任務(wù)按其優(yōu)先級從高到低順序排列的次序是：系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù),，鍵盤掃描任務(wù),，任務(wù)之間的通信，數(shù)據(jù)運(yùn)算統(tǒng)計(jì)處理任務(wù),，液晶顯示任務(wù),。中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)行剝奪運(yùn)行態(tài)任務(wù)時(shí)CPU的使用權(quán),，將它轉(zhuǎn)入中斷態(tài)并保存相關(guān)數(shù)據(jù)到堆棧區(qū)之后,，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷返回時(shí),，系統(tǒng)返回函數(shù)將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,，將優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。

　　在該電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件中,，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高,，最先進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。該任務(wù)分別查詢每一個(gè)被監(jiān)視的任務(wù)是否向其發(fā)送消息,。按優(yōu)先權(quán)級別順序,，鍵盤掃描任務(wù)將由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。在該任務(wù)將要執(zhí)行完畢時(shí),，向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息,，然后執(zhí)行延時(shí)函數(shù)將自身轉(zhuǎn)為掛起態(tài),，交出CPU使用權(quán)，讓其他任務(wù)得以執(zhí)行,。如果沒有,，則進(jìn)入掛起態(tài)，再次等待其他被監(jiān)視任務(wù)的運(yùn)行消息,。系統(tǒng)按任務(wù)優(yōu)先級繼續(xù)執(zhí)行優(yōu)先級高的就緒態(tài)任務(wù),，依次類推。