嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的研制方案

： μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的源碼開(kāi)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。

嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(tái)，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(cè)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(cè)量指示儀表、電能計(jì)量?jī)x表以及相關(guān)的輔助單元，具有安裝方便、接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，工程量小、現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)置輸入?yún)?shù)的特點(diǎn)。

1 μC/OS-II的移植

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級(jí)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(hào)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(wú)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(guò)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(shuō)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(jí)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(yǔ)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(guò)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(wèn)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(zhǎng)度8位，Short類型長(zhǎng)度16位，Int和Long類型長(zhǎng)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(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(shù)ARMDisableINT和ARMEnableINT，用于屏蔽中斷和開(kāi)中斷。

（2）OSTaskStkInit（ ）

OSTaskCreate（ ）和OSTaskCreateExt（ ）通過(guò)調(diào)用OSTask-StkInit（ ）來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，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(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(jí)的上下文切換。當(dāng)任務(wù)因?yàn)楸蛔枞鲃?dòng)請(qǐng)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(chǎng)保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級(jí)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(chǎng)，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(jí)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(jí)任務(wù)等待的時(shí)鐘信號(hào)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(diào)度就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，從而能夠盡快地使高優(yōu)先級(jí)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(jí)的任務(wù)棧內(nèi)容寫入對(duì)應(yīng)的CPU 寄存器。

（5）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(hào)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則需要在中斷級(jí)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(guò)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(duì)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(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。若沒(méi)有調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)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(jì)算機(jī)科學(xué)院的一個(gè)開(kāi)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(tái)例如嵌入式系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化處理過(guò)程和內(nèi)存要求，lwIP對(duì)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(wú)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(duì)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(tái)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(zhǎng)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(zhǎng)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。

（1）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(méi)有對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的sys_timeout為空（NULL），說(shuō)明該線程會(huì)對(duì)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(guò)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(méi)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(méi)有μC/OS-II中優(yōu)先級(jí)的概念，實(shí)現(xiàn)時(shí)要由用戶事先為L(zhǎng)wIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級(jí)。

2.3 lib_arch中庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在ARM SDT 2.開(kāi)發(fā)環(huán)境下，gcc編譯器的lib庫(kù)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(guò)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(chǔ)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(cè)模式，支持外接閃爍存儲(chǔ)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(guò)對(duì)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(lái)的IP報(bào)文加上以太網(wǎng)包頭并通過(guò)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(guò)程有三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)包的封裝；通過(guò)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(guò)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(duì)于以太網(wǎng)上目的地為該網(wǎng)卡的包會(huì)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(guò)中斷入口把接收數(shù)據(jù)的工作交給函數(shù)ethernetif_input（）來(lái)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(lái)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(cè)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(jí)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(jí)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)。

在該電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jí)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(méi)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(jí)繼續(xù)執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的就緒態(tài)任務(wù)，依次類推。

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)。