嵌入式实时操作系统与网络构件的设计
日期：2006-10-22 22:20:46 来源：本文摘自《PLC&FA》
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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。
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[2]，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[3]。
RTL8019AS以太网芯片(Webchip)是独立于各种微控制器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控制器、ISA总线控制器和集成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。
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。
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()。
1 引言W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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。
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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。
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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。
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2 嵌入式实时操作系统与网络构件的系统整体结构
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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[2]，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[3]。
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图1 硬件结构原理图
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RTL8019AS以太网芯片(Webchip)是独立于各种微控制器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控制器、ISA总线控制器和集成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。
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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。
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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。
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3 嵌入式实时操作系统与网络构件的软件设计WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
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:
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图2 系统结构图
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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。
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图3 μC/OS-Ⅱ硬件和软件体系结构原理图
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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()。
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