一種嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀的實(shí)現(xiàn)方案

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。

　　（1）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(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。

　?。?）OSCtxsw（ ）

　　用于任務(wù)級的上下文切換。當(dāng)任務(wù)因?yàn)楸蛔枞鲃诱埱驝PU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。