基于AVR單片機(jī)多任務(wù)嵌入式Internet系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

    目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中。從家用電器、信息終端、手持通信設(shè)備到儀器儀表、制造工業(yè)、過程控制等領(lǐng)域，嵌入式設(shè)備已隨處可見。另一方面，近幾年來Internet技術(shù)的飛速發(fā)展給嵌入式應(yīng)用帶來了新的契機(jī)，在未來嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用Internet技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。

    目前嵌入式Internet技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有下面三種方式  ：

    第一種方式是EMIT技術(shù)，采用支持TCP/IP協(xié)議的高性能服務(wù)器作為網(wǎng)關(guān)（emGateway）, 嵌入式設(shè)備通過RS-232、RS-485或者CAN總線等與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連接，間接通過服務(wù)器網(wǎng)關(guān)連接Internet。經(jīng)過多年的發(fā)展EMIT技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化中得到了廣泛的應(yīng)用。但該技術(shù)也存在著以下的缺點(diǎn)：由于需要使用高性能的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，再加上emGateway網(wǎng)關(guān)的使用需要繳納相應(yīng)的版稅，從而使得成本很高；而且網(wǎng)關(guān)和設(shè)備之間需要專門布線，在嵌入式設(shè)備比較分散的情況下極為不便，通信的距離、速度都受到一定的限制。

    第二種方式是采用硬件協(xié)議棧芯片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，比如Seiko公司的S7600，嵌入式MCU通過接口對(duì)其進(jìn)行控制以達(dá)到Internet通信的目的，這時(shí)軟件只需要增加一段和協(xié)議棧芯片通信的接口程序即可，因此開發(fā)難度小、周期短。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)的硬件成本非常高，而且由于使用的是硬件協(xié)議棧，擴(kuò)展不靈活。

    第三種方式是在嵌入式MCU上用軟件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，然后通過網(wǎng)絡(luò)接口芯片連接Internet。在這種方式中由于使用了軟件協(xié)議棧使得嵌入式MCU本身具有了Internet通信能力，從而省去了高性能網(wǎng)關(guān)和硬件協(xié)議棧芯片，因此成本非常低，而且擴(kuò)展起來非常方便靈活，再配上小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，就可以實(shí)現(xiàn)性價(jià)比很高的嵌入式多任務(wù)Internet平臺(tái)。但是要在資源有限的16位甚至8位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有一定難度，但近年來隨著單片機(jī)處理速度的不斷提高和內(nèi)部資源的不斷擴(kuò)展，再加上小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的相繼推出，使得利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)低成本嵌入式多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)成為可能。

    基于以上背景，本文就來介紹應(yīng)用在研究課題“低碼率視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸”系統(tǒng)中的一種基于AVR單片機(jī)的多任務(wù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

    考慮到以太網(wǎng)接入方式技術(shù)成熟、可靠性高、通信速度快和成本低的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用單片機(jī)加以太網(wǎng)接口控制芯片組成。由于操作系統(tǒng)和協(xié)議棧需要用到大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此需要外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)器。為了提高通信性能，單片機(jī)與以太網(wǎng)接口芯片之間采用并行總線擴(kuò)展方式進(jìn)行連接，接口芯片和外部的RAM存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。本系統(tǒng)采用了可編程GAL器件ATF16V8進(jìn)行地址譯碼，這樣不僅可以充分利用地址資源，而且只需要修改ATF16V8的源程序即可實(shí)現(xiàn)地址的改變，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。

                                      圖1：硬件平臺(tái)系統(tǒng)框圖
 
    單片機(jī)選用高性能的AVR單片機(jī)ATmega128。AVR是ATMEL公司結(jié)合了成熟的51系列和PIC系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而推出的高性能8位單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)  ：

性價(jià)比高： AVR單片機(jī)內(nèi)部集成了8路10位的ADC、PWM、E2PROM、WDT、RTC等，具有了片上系統(tǒng)（SOC）的雛形，大幅度降低了系統(tǒng)的整體體積和成本。  速度快：AVR單片機(jī)采用了先進(jìn)的RISC體系架構(gòu)，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，理論上速度可以達(dá)到1MIPS/MHz。而且具有只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。

接口豐富：AVR單片機(jī)除可以進(jìn)行并行擴(kuò)展外，還具有USART、SPI和I2C串行總線。

ISP&IAP：其內(nèi)部的可擦寫FLASH存儲(chǔ)器不僅可以進(jìn)行在線下載，而且具有片上的BOOT程序?qū)崿F(xiàn)在應(yīng)用可編程，真正實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀寫操作。

開發(fā)方便：AVR是第一款真正為C語言開發(fā)設(shè)計(jì)的單片機(jī)，具有多種編譯器。而且具有JTAG接口，可以進(jìn)行在線調(diào)試。

低功耗：AVR單片機(jī)具有六種睡眠模式，可以最大程度的降低系統(tǒng)的功耗。

     以太網(wǎng)接口控制芯片采用Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口控制器RTL8019AS  ，其10M處理能力對(duì)于本課題需要的碼率為4Mbps視頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸來說完全滿足要求。另外8019AS片內(nèi)集成了16KByte的RAM用作發(fā)送和接收的緩沖區(qū)，對(duì)其訪問可以使用遠(yuǎn)程DMA方式，從而大幅提高接口的通信能力。需要注意的是，由于ATmega128數(shù)據(jù)總線是8位，RTL8019AS的IOCS16B引腳應(yīng)當(dāng)下拉接地以選擇8位總線方式，而且JP引腳要接高電平以選擇跳線模式。

    地址譯碼采用的是ATF16V8，具體是把MCU地址線的高8位作為16V8的譯碼輸入，16V8的3位輸出作為譯碼片選輸出：低端RAM（32KB）、高端RAM（32KB）和8019AS的片選。由于8019AS的地址空間僅需要32Byte，而且與高端RAM的地址重疊，為了給RAM分配盡可能多的地址空間，為8019AS分配頂部的256Byte，而把剩余的地址空間全部分配給RAM。上述譯碼的CUPL描述如下：

CS_RAM_L = ! A15;

CS_RAM_H = A15 & ! (A14 & A13 & A12 & A11 & A10 & A9 & A8);

CS_8019 = A15 & A14 & A13 & A12 & A11 & A10 & A9 & A8;

3 操作系統(tǒng)移植 

    uC/OS-II是一個(gè)專門為中小型嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有源代碼公開、移植性好、可裁減、可固化、實(shí)時(shí)性和安全穩(wěn)定性高的特點(diǎn)  ，非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。uC/OS-II的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

uC/OS-II與硬件平臺(tái)無關(guān)的代碼文件：UCOS_CORE.C、UCOS_II.C等
 
uC/OS-II配置代碼文件：INCLUDES.H 、OS_CFG.H
 
 
 
                    
                                            圖2：uC/OS-II的系統(tǒng)框圖
 

uC/OS-II