1、引言 近年来，嵌入式实时操作系统接入网络后将使远程监测、远程控制、远程诊断和远程维护变得越来越容易。从根本上讲，嵌入式设备接入网络，当前基本上所采用的网络协议是基于TCP/IP通信协议。 由于嵌入式系统是以计算机技术为基础、软硬件可裁减并对成本、体积、功耗有严格要求的专用系统，它对TCP/IP通信协议的支持有其自身的特点，这些特点也决定嵌入式实时操作系统与网络构件的体系结构。 本方案以LPC2210为核心元件研究了嵌入式实时操作系统与网络构件的硬件电路，同时在μC/OS-Ⅱ平台上编写了应用软件程序。
2、嵌入式实时操作系统与网络构件的系统整体结构 嵌入式实时操作系统与网络构件的硬件原理图如图1所示。系统采用PHILIPS公司LPC2210微处理器，外扩一片FLASH SST 39VF160，并接入RTL8019AS以太网芯片（Webchip），再与接口连接器HR901170A相连。并将开放源代码的TCP/IP协议栈 LwIP移植到μC/OS-Ⅱ系统上。
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图1 硬件结构原理图
RTL8019AS以太网芯片（Webchip）是独立于各种微的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与MCU相连。具有16位的数据总线 和24为的地址总线，并且内部集成了DMA、ISA总线和集成16k SRAM、网络PHY收发器，兼容NE2k标准。用户可以通过DMA方式把需要发送的数据写入片内SRAM中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片接收到数 据后，用户可以通过DMA方式将其读出。 HR901170A是中山市汉仁电子有限公司生产的RJ45接口连接器（带网络变压器/滤波器），该连接器满足IEEE802.3和IEEE902.3ab标准，能够较好的抑制电磁干扰。通过HR901170A系统就可以连接到以太网上了。 该方案设计相对简单，硬件电路中采用的LPC2210是PHILIPS公司推出的微处理器，带有16k RAM，76个通用I/O口，12个独立外部中断引脚，集成有8通道的10位A/D，能够基于芯片设计复杂的系统。虽然LPC2210具有较快的访问速 度，但片内没有集成FLASH，所以这里扩展一片16Mbit FLASH SST 39VF160保存用户程序。其架构满足了μC/OS-Ⅱ正常运行的基本要求。
3、嵌入式实时操作系统与网络构件的软件设计 为使嵌入式实时操作系统与网络构件具有交好的实时性和稳定性，在实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ平台上设计系统软件。系统中各个任务在宏观上按照一定的 关系并行工作，CPU资源得到充分利用，系统可靠性得到很大的保证，方便组织开发任务。在μC/OS-Ⅱ平台上，软件设计工作主要包括三个方面的内容： μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和LwIP协议在μC/OS-Ⅱ上的实现以及系统应用软件的编写。本设计的系统结构图如图2所示：
图2 系统结构图
该系统采用源码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ，版本号为V2.52。其特点是源码公开、可读性强、移植性好、可配置、可裁剪。它采用优先级抢占 式调度方案，优先级最高的任务一旦准备就绪，则拥有CPU的所有权并开始投入运行。μC/OS-Ⅱ的软硬件体系结构图如图3所示。应用程序建立在操作系统 之上，处于系统的顶层，每个任务在宏观上是并行运行。与CPU类型无关的代码提供了系统服务，即内核、任务管理、内存管理等。μC/OS-Ⅱ的移植部分用 于完成与不同处理器的接口工作。μC/OS-Ⅱ的移植必须要求处理器及其编译器满足一定的条件。
图3 μC/OS-Ⅱ硬件和软件体系结构原理图
μC/OS-Ⅱ的移植工作主要集中在下面几个文中：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。另外，在INCLUDES.H中 必须包括LPC2210文件LPC2210.H；OS_CFG.H用于系统应用μC/OS-Ⅱ中的初始化配置。OS_CPU.H主要包括了一些与处理器和 编译器相关的常量和类型定义等，而且要注意的是LPC2210的堆栈方向是由高到低，用OS_STK_GROWTH来设置堆栈的增长方向。因此将 OS_STK_GROWTH设为1。 OS_CPU_A.ASM中需要编写4个汇编语言函数：OS_TASK_SW（），OS_IntCtxSw（），OSStartHighRdy（）和OSTickISR（）。 OSStartHighRdy（）代码如下： LDR r4， addr_OSTCBCur ；获得当前任务TCB地址 LDR r5， addr_OSTCBHighRdy ；获得优先级最高任务TCB地址 …… ；恢复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（ ）函数汇编代码如下： 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 …… ；得到当前任务TCB地址 LDR r4， addr_OSTCBCur LDR r5， [r4] STR sp， [r5] ；保存sp在被占先任务的TCB ；得到最高优先级任务的TCB地址 LDR r6，addr_OSTCBHighRdy LDR r6，[r6] LDR sp， [r6] ；得到新任务堆栈指针 ；OSTCBCur ＝ OSTCBHighRdy STR r6， [r4] ；设置新的当前任务的TCB地址 …… OSIntCtxSw（）函数汇编代码如下： LDR sp，＝IRQ_STACK SUB r7， sp，#4 ；将处理器切换到管理模式 MRS r1， SPSR ORR r1， r1， #0xC0 MSR CPSR_cxsf，r1 ；完成模式切换 …… STMFD sp!, ｛r4｝ ；保存程序状态寄存器 …… OS_CPU_C.C需要用C语言编写6个与操作系统相关的函数：OSTaskStkInt（），OStaskCreateHooK（）， OStaskDelHook（），OStaskSwHook（），OStaskStatHook（）， OSTimeTickHook（）。必须编写的是OSTaskStkInt（），其余5个函数必须声明但可以不编写代码。 void ＊OSTaskStkInit（void（＊task）（void ＊pd），void ＊pdata， OS_STK ＊ptos， INT16U opt） ｛ OS_STK ＊stk； opt = opt //防止编译错误 stk = ptos； //装载堆栈指针 …… ＊——stk = （USER_USING_MODE0x00）； //spsr，允许IRQ，FIQ中断 ＊——stk = （）； //关中断计数器OsEnterSum return （stk）； ｝ 下来要做的就是LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植，即就是把与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来放在/src/arch目录下。LwIP在μC/OS -Ⅱ上的实现就是修改这个目录下的文件，文件一般不做修改。首先要修改与CPU或编译器相关的文件，如数据长度，字的高低位顺序等要和用户实现 μC/OS-Ⅱ移植时定义的数据长度参数是一致的；然后要修改与操作系统相关的函数与数据结构；最后是库函数的实现，如u16_t htons（）；u16_t ntohs（）；u32_t htonl（）；u32_t ntohl（）；int strlen（）； int strncmp（）； void bcopy（）；void bzero（）； 前4个函数由用户自己实现，而ADS编译器中库里面已经有了后四个函数。用户在CPU上实现时应根据自己的编译器来决定。 LwIP在μC/OS-Ⅱ上的移植结束后，剩下的工作就是编写应用程序。将系统划分成若干个任务，每个任务对应一个独立的无限循环的主程序，完成一个特定 的功能。系统任务优先级的划分是根据任务的重要性而定的，当然还要考虑到系统的安全性因素。为简化设计，应用程序采用静态优先级，即应用程序在执行的过程 中各个任务优先级保持不变。系统的软件架构搭建好了以后，用C编写各个任务就容易多了。主程序中关键代码如下： #define TASK_STK_SIZE 64 ；声明任务堆栈 OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE] ；开始任务堆栈 OS_STK TaskWatchStk[TASK_STK_SIZE] ；监视任务堆栈 …… void TaskWatch（void ＊data） ；声明监视任务的函数原型 …… void main（void） ｛ OSInit（） /＊初始化μC/OS-Ⅱ＊/ OSTaskCreate（TaskStart，（void＊）0，& TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1]，0）； OSStart（）； /＊开始多任务＊/ ｝ void TaskStart（void ＊data） ｛ data=data； /＊防止编译器错误＊/ ……｝ 将主程序和μC/OS-Ⅱ中的系统文件放在同一工程下，进行编译即可。为了提高执行效率，可以根据实际应用修改μC/OS-Ⅱ的部分常用代码，甚至剪切掉某些不必要的代码。
4、结束语 基于嵌入式实时操作系统与网络构件的设计方案在硬件上简洁可靠；软件可维护性好，可扩展性好，有利于系统的后续开发，降低了系统设计的复杂性。随着嵌入式 产品研究的深入，网络接口芯片的研究也会快速发展，是智能化产品的设计更趋向简单、标准、成熟。可以看出，嵌入式实时操作系统与网络将会得到更大的发展和 更广阔的应用。
