一種嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀的實現(xiàn)方案

嵌入式電網(wǎng)監(jiān)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(jié)合了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和 LwIP協(xié)議棧。在實時操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧的驅(qū)動下，由微處理器實現(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)測儀具有極高的性能價格比，可以直接取代常規(guī)電力變送器、測量指示儀表、電能計量儀表以及相關(guān)的輔助單元，具有安裝方便、接線簡單、維護(hù)方便，工程量小、現(xiàn)場可編程設(shè)置輸入?yún)?shù)的特點。μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的源碼開放的占先式實時多任務(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)通信實現(xiàn)，包括μC/OS-II實時操作系統(tǒng)、LwIP協(xié)議棧的移植和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的建立以及系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)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)實時操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU 時間，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個任務(wù)。由于它的作者占用和保留了8個任務(wù)，所以留給用戶應(yīng)用程序最多可有56個任務(wù)。賦予各個任務(wù)的優(yōu)先級必須是不相同的。這意味著μC/OS-II不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法（round-robin scheduli ng）。

　　μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，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40種不同架構(gòu)上的微處理器上運行。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、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、實時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強等特點，最小內(nèi)核可編譯至2KB。

　　移植μC/OS-II時，系統(tǒng)可以運行于用戶模式（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(shè)置為在用戶模式運行，但進(jìn)行處理模式的切換時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移植時需要解決的主要問題。
 

　　（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類型長度8位，Short類型長度16位，Int和Long類型長度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，用于屏蔽中斷和開中斷。

　?。?）OSTaskStkInit（ ）

　　OSTaskCreate（ ）和OSTaskCreateExt（ ）通過調(diào)用OSTask-StkInit（ ）來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，因此，堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過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。

　?。?）OSCtxsw（ ）

　　用于任務(wù)級的上下文切換。當(dāng)任務(wù)因為被阻塞而主動請求CPU調(diào)度時OSCtxsw（ ）被執(zhí)行，此時的任務(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(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)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。若在時鐘中斷ISR中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級任務(wù)等待的時鐘信號到來，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)先級任務(wù)執(zhí)行，從而能夠盡快地使高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實時性能。

　　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)先級的任務(wù)棧內(nèi)容寫入對應(yīng)的CPU 寄存器。

　?。?）OSTickISR（ ）

　　時鐘中斷處理函數(shù)。其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時鐘中斷，調(diào)用系統(tǒng)實現(xiàn)OSTimeTick（ ）函數(shù)，如果有等待時鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù)，則需要在中斷級別上調(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。其實現(xiàn)的過程是：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，如果需要則調(diào)用OSIntCtxSW（ ）來進(jìn)行任務(wù)切換。若沒有調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)OSCtxsw（ ），則說明CPU寄存器入棧的工作已經(jīng)在進(jìn)入中斷時完成。

　　2  LwIP協(xié)議棧的移植

　　lwip是瑞典計算機科學(xué)院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)。lwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個實現(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例如嵌入式系統(tǒng)。為了簡化處理過程和內(nèi)存要求，lwIP對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，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行。LwIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對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)長度、字的高低位順序等，這些參數(shù)應(yīng)該與實現(xiàn)μC/OS-II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)是一致的。[!--empirenews.page--]

　　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)，主要可以分為三個部分。

　?。?）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中的消息隊列實現(xiàn)。但是，μC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)。而有一些mbox只可能有一個消息，可以用郵箱實現(xiàn)。另外函數(shù)sys_sem_free（ ）和sys_mbox_free（ ）不易實現(xiàn)，可以采用從空閑隊列中動態(tài)分配和回收的方法。

　?。?）sys_arch_timeout（ ）

　　LwIP中每個與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為：每個線程都對應(yīng)一個sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列，包括這個線程的timeout時間長度以及超時后應(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。如果一個線程對應(yīng)的sys_timeout為空（NULL），說明該線程會對連接做永久的等待。

　　（3）sys_thread_new（ ）

　　LwIP可以是單線程運行，即只有一個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tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運行，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，就可以實現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是：LwIP中的thread并沒有μC/OS-II中優(yōu)先級的概念，實現(xiàn)時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

　　2.3 lib_arch中庫函數(shù)的實現(xiàn)

　　在ARM SDT 2.開發(fā)環(huán)境下，gcc編譯器的lib庫里已經(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)動程序

　　基于RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動的編寫，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，裝配成不完整的物理幀后復(fù)制到控制器片內(nèi)RAM中，并通過控制器發(fā)送到傳輸介質(zhì)上，發(fā)送時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，交給IP層進(jìn)行處理。修改ethernetif.c文件，實現(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16KB的SDRAM存儲器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8bit或16bit的傳輸，支持UTP,AUI,BNC和PNP自動檢測模式，支持外接閃爍存儲器讀寫操作，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)位操作以及通過對各個寄存器賦值，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層傳來的IP報文加上以太網(wǎng)包頭并通過網(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，然后啟動本地DMA，網(wǎng)卡自動發(fā)送緩沖環(huán)里的數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)。

　　發(fā)送過程有三個步驟：數(shù)據(jù)包的封裝；通過遠(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報文向IP層發(fā)送。網(wǎng)卡對于以太網(wǎng)上目的地為該網(wǎng)卡的包會自動啟動本地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，就通過中斷入口把接收數(shù)據(jù)的工作交給函數(shù)ethernetif_input（）來處理。

　　在實時多任務(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，ISR的入口將根據(jù)讀取的中斷狀態(tài)寄存器（ISR）的值來確定程序的走向。

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　　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)測系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，整個系統(tǒng)劃分為二個中斷程序和五個并行存在的任務(wù)層。

　　中斷程序按其優(yōu)先級從高到低分別是網(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)運算統(tǒng)計處理任務(wù)，液晶顯示任務(wù)。中斷發(fā)生時，系統(tǒng)將強行剝奪運行態(tài)任務(wù)時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，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)為運行態(tài)。

　　在該電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，最先進(jìn)入運行態(tài)。該任務(wù)分別查詢每一個被監(jiān)視的任務(wù)是否向其發(fā)送消息。按優(yōu)先權(quán)級別順序，鍵盤掃描任務(wù)將由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。在該任務(wù)將要執(zhí)行完畢時，向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息，然后執(zhí)行延時函數(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。如果沒有，則進(jìn)入掛起態(tài)，再次等待其他被監(jiān)視任務(wù)的運行消息。系統(tǒng)按任務(wù)優(yōu)先級繼續(xù)執(zhí)行優(yōu)先級高的就緒態(tài)任務(wù)，依次類推。