一種嵌入式電網(wǎng)監測儀的實(shí)現方案

嵌入式電網(wǎng)監測儀成功運用了S3C44BOX微處理器和RTL8019AS以太網(wǎng)控制器組成的硬件平臺，并結合了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II和 LwIP協(xié)議棧。在實(shí)時(shí)操作系統和LwIP協(xié)議棧的驅動(dòng)下，由微處理器實(shí)現數據采集、數據處理和采集模塊的控制功能。嵌入式電網(wǎng)監測儀具有極高的性能價(jià)格比，可以直接取代常規電力變送器、測量指示儀表、電能計量?jì)x表以及相關(guān)的輔助單元，具有安裝方便、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護方便，工程量小、現場(chǎng)可編程設置輸入參數的特點(diǎn)。μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統的源碼開(kāi)放的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。本文討論了基于μC/OS-II嵌入式系統的網(wǎng)絡(luò )通信實(shí)現，包括μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統、LwIP協(xié)議棧的移植和網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的建立以及系統任務(wù)的調度。

　　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，包含了實(shí)時(shí)內核、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 隊列）和內存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實(shí)現準時(shí)而且無(wú)誤執行，使實(shí)時(shí)應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過(guò)程大為減化。多任務(wù)系統中，內核負責管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU 時(shí)間，并且負責任務(wù)之間的通訊。內核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。μC/OS-II可以管理多達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(hù)應用程序最多可有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(zhù)μC/OS-II不支持時(shí)間片輪轉調度法（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)內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過(guò)40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領(lǐng)域， 如手機、路由器、集線(xiàn)器、不間斷電源、飛行器、醫療設備及工業(yè)控制上。它適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)，最小內核可編譯至2KB。

　　移植μC/OS-II時(shí)，系統可以運行于用戶(hù)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(hù)模式運行，但進(jìn)行處理模式的切換時(shí)必須由異常處理完成，這樣操作要復雜一些。

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

　?。?）OS_CPU.H修改

　　此修改主要是改變與處理器、編譯器有關(guān)的數據類(lèi)型和宏定義，S3C44BOX為32位微處理器，使用armcc編譯器。Char類(lèi)型長(cháng)度8位，Short類(lèi)型長(cháng)度16位，Int和Long類(lèi)型長(cháng)度32位。ARM 寄存器都是32 位的，所以將堆棧數據類(lèi)型OS_STK 聲明為32位。所有的堆棧都必須使用OS_STK 聲明。

　　將開(kāi)關(guān)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(kāi)中斷。

　?。?）OSTaskStkInit（ ）

　　OSTaskCreate（ ）和OSTaskCreateExt（ ）通過(guò)調用OSTask-StkInit（ ）來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結構，因此，堆?？雌饋?lái)就像剛發(fā)生過(guò)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。其結構體定義OS_STK[17]，任務(wù)堆?？臻g由高至低依次保存著(zhù)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OSTaskStkInit，需要將任務(wù)棧內的CPSR 和SPSR 設為SVC 模式。

　?。?）OSCtxsw（ ）

　　用于任務(wù)級的上下文切換。當任務(wù)因為被阻塞而主動(dòng)請求CPU調度時(shí)OSCtxsw（ ）被執行，此時(shí)的任務(wù)切換在非異常模式下進(jìn)行。它的工作是先將當前任務(wù)的CPU現場(chǎng)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，從該堆棧中恢復此任務(wù)的CPU現場(chǎng)，使之繼續執行。這樣就完成了一次任務(wù)切換。

　?。?）OSIntCtxSW（ ）

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

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

　?。?）OSTickISR（ ）

　　時(shí)鐘中斷處理函數。其主要任務(wù)是負責處理時(shí)鐘中斷，調用系統實(shí)現OSTimeTick（ ）函數，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度其執行。

　　OSTickISR（ ）是標準的中斷服務(wù)程序，函數的入口寫(xiě)入ISR的中斷向量表。其實(shí)現的過(guò)程是：向S3C44BOX 的0x18寫(xiě)入任意的數（0x18在A(yíng)RM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CPU寄存器入棧，調用OSIntEnter（ ）對中斷嵌套標志加1。調用中斷服務(wù)程序OSTimeTick（ ），調用OSIntExit（ ）判斷是否需要任務(wù)切換，如果需要則調用OSIntCtxSW（ ）來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。若沒(méi)有調用任務(wù)切換函數OSCtxsw（ ），則說(shuō)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是瑞典計算機科學(xué)院的一個(gè)開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現。lwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)實(shí)現。lwIP協(xié)議棧主要關(guān)注的是怎么樣減少內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。為了簡(jiǎn)化處理過(guò)程和內存要求，lwIP對API進(jìn)行了裁減，可以不需要復制一些數據。LwIP是Light Weight （輕型）IP協(xié)議，有無(wú)操作系統的支持都可以運行。LwIP實(shí)現的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用，一般它只需要幾百字節的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。

　　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(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，如數據長(cháng)度、字的高低位順序等，這些參數應該與實(shí)現μC/OS-II時(shí)定義的數據長(cháng)度等參數是一致的。