μC／OS-II的VG2以太網(wǎng)和USB接口

 1 引言

近幾年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，TCP/IP協(xié)議已成為應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議。USB(通用串行總線)以靈活、方便、通信穩(wěn)定、成本低廉、即插即用等優(yōu)點已經(jīng)成為數(shù)據(jù)存儲與交換的通用接口。

ADChips公司的32位多媒體微處理器VirgineG2(簡稱VG2)具有強大的數(shù)據(jù)、圖像和音頻處理功能，而且能夠直接輸出NTSC/PAL制式模擬信號。VG2只提供了一路32位的I/O接口和兩路串行通訊接口，因此需要對VG2擴展TCP/IP接口和USB接口，以實現(xiàn)遠/近程數(shù)據(jù)的交互和大容量數(shù)據(jù)存儲。

本文采用Realtek公司的RTL8019AS芯片對VG2進行以太網(wǎng)接口擴展，通過TCP/IP協(xié)議規(guī)范及LwIP實現(xiàn)VG2的TCP/IP協(xié)議棧。同時采用Philips公司的ISP1161芯片實現(xiàn)VG2的USB主/從控制接口擴展。

2 VG2的以太網(wǎng)和USB硬件接口設(shè)計

2.1芯片簡介

VG2內(nèi)嵌16/32位(EISCSE3208)多媒體微控制器，內(nèi)含2路4 KB的Cache、2D圖像加速器，32通道的8/16位音頻處理器以及DAC、DRAM，控制器、DMA、定時器、雙串口等多種外設(shè)。還具有8個外部片選信號(PCS0#一PCS7#)和27個中斷源，其中包括8個外部中斷(IRQ0～IRQ7)。基于3D的2D圖形加速器支持NTSC/PAL制式電視顯示。

RTL8019AS是Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口控制器，符合NE2000標(biāo)準(zhǔn)，遵循IEEE802.3協(xié)議。支持8位、16位的數(shù)據(jù)總線，有即插即用、跳線和免跳線三種工作方式。RTL8019AS內(nèi)置16 KB RAM，用作收發(fā)緩沖以降低對主處理器的請求頻率。內(nèi)部還有遠程DMA通道和本地DMA通道。

ISP1161是Philips公司生產(chǎn)的通用串行總線(USB)主機控制器(HC)和設(shè)備控制器(DC)，遵循USB 1.1，支持全速(12 Mbit/s)及低速(1.5 Mbit/s，)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。兩個USB控制器在使用中共用一個微處理器總線接口，但I/O地址不同，并有各自的中斷請求輸出引腳和獨立的DMA通道。ISP1161提供兩個下行端口和一個上行端口.每一個下行端口都有一個過流(OC)檢測輸入引腳及電源開關(guān)控制輸出端，上行端口也有自身的VBUS檢測輸入端。另外還提供了單獨的喚醒輸入端和掛起輸出端。HC的下行端口能與USB兼容設(shè)備及具有USB上行端口的USB集線器連接。

2.2 VG2的TCP/IP和USB接口設(shè)計

2.2.1硬件設(shè)計

對VG2擴展USB接口和以太網(wǎng)接口的硬件原理框圖如圖1所示。

以太網(wǎng)接口設(shè)計中。VG2的PCS6和IRQ6分別作為RTL8019AS的片選信號和中斷信號。RTL8019AS其他引腳連接方式為：JP接高電平，設(shè)置RTL8019AS工作在跳線方式下;IOS3～IOS0接低電平，設(shè)置其I/O基地址Ox300，這樣RTL8019AS只對地址為0x300～0x31F的信號產(chǎn)生響應(yīng);IRQS2～IRQS0接低電平，INT0被選中作為中斷請求的輸出;PL1、PL0接低電平，設(shè)置具有自動檢測接口類型的功能。

當(dāng)PCS6有效時，VG2為RTL8019AS映射從0x0160 0000開始的1 MB內(nèi)存，SA8和SA9位為高電平，對應(yīng)于RTL8019AS的地址線信號為0000 0000 0011 000X XXXX，I/O基址設(shè)置為0x300。這樣通過地址的低5位就可以讀取RTL8019AS內(nèi)部的32個寄存器。對VG2控制映射RTL8019AS內(nèi)部寄存器地址為0x0160 0000+相應(yīng)的偏移地址(0x00～Ox1F)。

2.2.2 USB接口設(shè)計

VG2采用PCS7和IRQ7分別作為ISP1161的片選信號和中斷信號，ISP1161采用I/O通信的方式，其I/O地址如表1所列。

ISP1161寄存器是一個指令-數(shù)據(jù)雙重結(jié)構(gòu)寄存器。一個完整的寄存器訪問周期首先為指令階段，然后為數(shù)據(jù)階段。指令(也可以理解為寄存器的指針)指向ISP1161的下一個將被訪問的寄存器。一個指令為8位長，在一個微處理器的16位數(shù)據(jù)總線上，指令占用低字節(jié)，高字節(jié)被填充為0。微處理器先向指令端口寫入一個指令代碼.然后從數(shù)據(jù)端口讀/寫數(shù)據(jù)字。

當(dāng)PCS7有效時，VG2為ISP1161映射從0x1700 0000開始的1 MB內(nèi)存。ISP1161主機控制器的數(shù)據(jù)和命令地址分別是Ox0170 0000和Ox0170 0002，設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)和命令地址分別是0x0170 0004和0x0170 0006。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分通過在VG2中嵌入實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS一Ⅱ來實現(xiàn)。在μC/OS一Ⅱ平臺上分別對各個接口進行多任務(wù)的控制。

3.1 μC/OS-Ⅱ移植

μC/OS一Ⅱ是一個完整、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。如果只保留其最核心的代碼，則可壓縮到3 KB。將μC/OS-Ⅱ移植到VG2微處理器上需改寫與硬件相關(guān)的匯編語言。具體改寫內(nèi)容如下所示：

(1)改寫OS_CPU.H中部分函數(shù)

#define OS_TASK_SW() asm("swi 7")，通過軟件中斷指令來實現(xiàn)操作系統(tǒng)的任務(wù)切換函數(shù)：#defi-neOS_ENTER_CRITICAL()asm("clrl3")，#define OS_EXIT_CRITICAL asm("set 13")，通過對SR狀態(tài)寄存器的中斷控制位設(shè)置實現(xiàn)使能或禁止操作系統(tǒng)響應(yīng)中斷請求;#define OS_STK_GROWTH 1，定義VG2的堆棧由高到低。

(2)改寫OS_CPU_C.C中部分函數(shù)

OSTaskStkInit()為任務(wù)棧結(jié)構(gòu)的初始化函數(shù)。VG2響應(yīng)中斷請求信號后，將當(dāng)前寄存器值按先入后出的順序壓入堆棧。

OSTaskStkInit()按照壓入堆棧順序?qū)Ω魅蝿?wù)棧初始化。

OSStartHighRdy()函數(shù)跳轉(zhuǎn)到所有處于就緒狀態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行。操作系統(tǒng)首先得到最高優(yōu)先級任務(wù)棧的指針，然后從任務(wù)棧中彈出所有寄存器值，實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。

OSCtxSw()是任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)。swi 7(軟件中斷)的中斷向量指向該函數(shù)。當(dāng)需要任務(wù)切換時，首先該函數(shù)將當(dāng)前任務(wù)寄存器值壓入堆棧。然后將當(dāng)前任務(wù)任務(wù)棧指針保存到任務(wù)控制塊中。最后判斷出最高優(yōu)先級任務(wù)，并彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開始運行。

OSTickISR()為操作系統(tǒng)提供一個周期性的時鐘源。VG2的定時器0被設(shè)定成第20 ms發(fā)出一個時鐘中斷信號，中斷向量指向該函數(shù)。首先該函數(shù)保存當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)，并將全局變量OSTime遞增1。然后判斷出最高優(yōu)先級任務(wù).并彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開始運行。[!--empirenews.page--]

OSIntCtxSw()為系統(tǒng)執(zhí)行中斷后任務(wù)調(diào)度函數(shù)。系統(tǒng)在中斷響應(yīng)后執(zhí)行該函數(shù)判斷出最高優(yōu)先級任務(wù)，然后彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開始運行。

3.2以太網(wǎng)接口的TCP/IP協(xié)議移植

由于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ是一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，本身沒有集成TCP/IP協(xié)議棧，所以需要移植合適的TCP/IP協(xié)議棧。LwIP協(xié)議棧是適用于8位、16位、32位微處理器嵌入式系統(tǒng)的一個小型TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了ARP、TCP、UDP、IP這些最基本的協(xié)議。LwIP可以看作是為系統(tǒng)提供的函數(shù)，通過它來進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。LwIP允許有多個網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)一個structnetif，而且都包含相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性和收發(fā)函數(shù)。其中netif->input()指向IP層的接收函數(shù)ip_input()，netif->output()指向ne2k_send_packet()驅(qū)動程序中的發(fā)送函數(shù)。驅(qū)動程序可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的接收、發(fā)送、初始化以及中斷處理。本設(shè)計中采用中斷方式來接收數(shù)據(jù)，使用VG2的外部中斷INT6，在VG2的中斷向量表中可以按照如下定義：

3.3 USB接口的PTD協(xié)議移植

VG2與ISP1161之間以PTD(Philips Transfer Descriptor)數(shù)據(jù)格式進行通信。PTD數(shù)據(jù)提供了USB通信的相關(guān)信息，如指令、狀態(tài)和USB數(shù)據(jù)包等。VG2中PTD數(shù)據(jù)的物理存儲介質(zhì)是微處理器的系統(tǒng)RAM。對于ISP1161，存儲介質(zhì)為內(nèi)部FIFO緩沖區(qū)RAM。ISP1161可使用PTD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，使其與USB終端設(shè)備進行通信。VG2設(shè)立這個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采存放當(dāng)前幀(1 ms幀)。每幀傳送的承載數(shù)據(jù)必須包含一個PTD作為傳輸頭，以描述傳輸特性。PTD數(shù)據(jù)一般為DWORD(雙字或4字節(jié))格式，結(jié)構(gòu)如表2所示。

PTD數(shù)據(jù)頭為8個字節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了ISP1161的傳輸類型、裝載數(shù)據(jù)的發(fā)送位置、裝載數(shù)據(jù)的實際大小、傳輸速度、傳輸對象等。當(dāng)傳輸執(zhí)行完畢后。其內(nèi)部會作相應(yīng)的改變，在PTD數(shù)據(jù)頭中表征了本次傳輸結(jié)果.包括傳輸發(fā)生的錯誤信息等。

3.4部分程序流程

以太網(wǎng)收發(fā)任務(wù)程序流程如圖2所示。USB通信任務(wù)程序流程如圖3所示。

本設(shè)計采用的操作系統(tǒng)是實時操作系統(tǒng)，可以同時支持以太網(wǎng)通信和USB設(shè)備數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)能獲得很高的效率和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文采用RTL8019AS通過TCP/IP協(xié)議規(guī)范及LwIP,實現(xiàn)了VG2的TCP/IP協(xié)議棧，通信波特率可達到10Mb/s。同時采用Philips公司的ISP1161，實現(xiàn)VG2的USB主/從控制接口擴展，符合USB1.1規(guī)范，通信速率可達到1.5Mb/s。該設(shè)計用于所研制的數(shù)字化家居智能控制器，通過以太網(wǎng)、USB和其他接口，將家用電器、家庭安防、門禁、四表自動抄表、有線電視網(wǎng)、電話和寬帶網(wǎng)系統(tǒng)等獨立單元的家居設(shè)施跨平臺有機結(jié)合，實現(xiàn)遠/近程操作控制和數(shù)據(jù)存儲與交換。