基于AVR單片機的多任務嵌入式Internet系統(tǒng)設計
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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、手持通信設備到儀器儀表、制造工業(yè)、過程控制等領域，嵌入式設備已隨處可見。另一方面，近幾年來Internet技術的飛速發(fā)展給嵌入式應用帶來了新的契機，在未來嵌入式系統(tǒng)中應用Internet技術具有很大的優(yōu)勢。
目前嵌入式Internet技術的實現(xiàn)主要有下面三種方式 ：
第一種方式是EMIT技術，采用支持TCP/IP協(xié)議的高性能服務器作為網(wǎng)關（emGateway）, 嵌入式設備通過RS-232、RS-485或者CAN總線等與網(wǎng)關服務器連接，間接通過服務器網(wǎng)關連接Internet。經(jīng)過多年的發(fā)展EMIT技術已經(jīng)在工業(yè)設備的網(wǎng)絡化中得到了廣泛的應用。但該技術也存在著以下的缺點：由于需要使用高性能的網(wǎng)關服務器，再加上emGateway網(wǎng)關的使用需要繳納相應的版稅，從而使得成本很高；而且網(wǎng)關和設備之間需要專門布線，在嵌入式設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)議棧芯片進行網(wǎng)絡連接，比如Seiko公司的S7600，嵌入式MCU通過接口對其進行控制以達到Internet通信的目的，這時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，擴展不靈活。
第三種方式是在嵌入式MCU上用軟件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，然后通過網(wǎng)絡接口芯片連接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)關和硬件協(xié)議棧芯片，因此成本非常低，而且擴展起來非常方便靈活，再配上小型嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持，就可以實現(xiàn)性價比很高的嵌入式多任務Internet平臺。但是要在資源有限的16位甚至8位單片機上實現(xiàn)復雜的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧有一定難度，但近年來隨著單片機處理速度的不斷提高和內(nèi)部資源的不斷擴展，再加上小型的實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧的相繼推出，使得利用單片機來實現(xiàn)低成本嵌入式多任務網(wǎng)絡平臺成為可能。
基于以上背景，本文就來介紹應用在研究課題“低碼率視頻信號的網(wǎng)絡傳輸”系統(tǒng)中的一種基于AVR單片機的多任務嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)軟硬件平臺的設計。
2 硬件平臺設計
考慮到以太網(wǎng)接入方式技術成熟、可靠性高、通信速度快和成本低的優(yōu)點，本系統(tǒng)的硬件平臺采用單片機加以太網(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)存儲器，因此需要外擴RAM存儲器。為了提高通信性能，單片機與以太網(wǎng)接口芯片之間采用并行總線擴展方式進行連接，接口芯片和外部的RAM存儲器統(tǒng)一編址。本系統(tǒng)采用了可編程GAL器件ATF16V8進行地址譯碼，這樣不僅可以充分利用地址資源，而且只需要修改ATF16V8的源程序即可實現(xiàn)地址的改變，提高了系統(tǒng)的擴展能力。系統(tǒng)的硬件平臺的原理框圖如圖1所示。
圖1：硬件平臺系統(tǒng)框圖
單片機選用高性能的AVR單片機ATmega128。AVR是ATMEL公司結合了成熟的51系列和PIC系列單片機的優(yōu)點而推出的高性能8位單片機，具有以下特點 ：
性價比高： AVR單片機內(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單片機采用了先進的RISC體系架構，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，理論上速度可以達到1MIPS/MHz。而且具有只需要兩個時鐘周期的硬件乘法器。
接口豐富：AVR單片機除可以進行并行擴展外，還具有USART、SPI和I2C串行總線。
ISP&IAP：其內(nèi)部的可擦寫FLASH存儲器不僅可以進行在線下載，而且具有片上的BOOT程序?qū)崿F(xiàn)在應用可編程，真正實現(xiàn)同時讀寫操作。
開發(fā)方便：AVR是第一款真正為C語言開發(fā)設計的單片機，具有多種編譯器。而且具有JTAG接口，可以進行在線調(diào)試。
低功耗：AVR單片機具有六種睡眠模式，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處理能力對于本課題需要的碼率為4Mbps視頻流的網(wǎng)絡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)，對其訪問可以使用遠程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引腳應當下拉接地以選擇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是一個專門為中小型嵌入式應用設計的搶占式的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有源代碼公開、移植性好、可裁減、可固化、實時性和安全穩(wěn)定性高的特點 ，非常適合本系統(tǒng)的應用。uC/OS-II的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
uC/OS-II與硬件平臺無關的代碼文件：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
第1個文件是OS_CPU.H，其中主要定義了一些與編譯器有關的數(shù)據(jù)類型、堆棧的生長方向、臨界代碼區(qū)的保護方式。需要說明的是uC/OS-II中臨界代碼區(qū)的保護方式有3種，本設計采用第3種，即在進入臨界區(qū)之前把CPU狀態(tài)寄存器SREG的內(nèi)容保存到一個局部變量cpu_sr中，在退出臨界區(qū)之后再還原SREG，這樣做的好處是臨界區(qū)保護不會對SREG產(chǎn)生影響。其中SREG的保存和返回函數(shù)必須由匯編語言來寫，放在OS_CPU_A.S文件中。
第2個文件OS_CPU_C.C中主要是任務堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（），任務創(chuàng)建時調(diào)用此函數(shù)來初始化任務的堆棧結構。該函數(shù)一開始把傳入的任務函數(shù)的指針存放到硬件堆棧的棧頂，看上去就像該函數(shù)在執(zhí)行過程中發(fā)生了中斷一樣（低字節(jié)在先），這樣返回后就可以從新的任務開始執(zhí)行了。需要特別注意的是，在這個函數(shù)中必須把CPU狀態(tài)寄存器SREG的值設為0x80，也就是全局中斷使能，否則系統(tǒng)將崩潰。
最后一個文件OS_CPU_A.S是一個匯編源文件，主要定義了6個匯編函數(shù)。首先是臨界區(qū)保護用到的SREG保存和恢復函數(shù)。然后定義的是OSStartHighRdy（）函數(shù)，它只在系統(tǒng)啟動時由OSStart（）函數(shù)調(diào)用一次，所做的工作主要是讓系統(tǒng)從最高優(yōu)先級的任務開始執(zhí)行，實現(xiàn)的方法和后面要介紹的OSCtxSw（）函數(shù)相似。OSCtxSw（）函數(shù)實現(xiàn)的是任務級的切換，首先把當前的任務的狀態(tài)保存到其任務控制塊TCB中，然后把當前優(yōu)先級最高的任務的TCB中的內(nèi)容加載到工作寄存器中，這樣函數(shù)返回后就可以從此任務開始執(zhí)行了。接下來的OSIntCtxSw（）函數(shù)實現(xiàn)的是中斷級的任務切換，它和OSCtxSw（）函數(shù)的唯一不同是它是在中斷中調(diào)用的，因此不需要保存工作寄存器的內(nèi)容，剩下的和任務級的切換過程完全一樣。最后一個定義的是節(jié)拍時鐘的中斷服務子程序，在這個函數(shù)中的開始要令中斷欠套全局變量加1，并且調(diào)用時鐘管理函數(shù)OSTimeTick（），中斷退出時調(diào)用系統(tǒng)提供的中斷退出函數(shù)OSIntExit（）。
4 網(wǎng)絡平臺設計
LwIP是一套專門為嵌入式系統(tǒng)設計的源碼開放的輕型協(xié)議棧，最新版本是LwIP1.1.0。LwIP在保持TCP/IP協(xié)議基本要求的前提下，通過層與層之間共享內(nèi)存，避免了許多繁瑣的復制處理，這樣做雖然破壞了嚴格的分層思想，但卻大幅度地節(jié)省了代碼和數(shù)據(jù)存儲空間，因此非常適合嵌入式應用。與其他輕型協(xié)議棧不同的是，LwIP不僅支持一般的網(wǎng)絡協(xié)議，比如UDP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPP協(xié)議等，而且還支持多網(wǎng)絡接口、IPv6和標準API 。
圖3：LwIP運行機制
4.1 LwIP在uC/OS-II上的移植
針對uC/OS-II和AVR的ICC編譯器，LwIP的移植只需要編寫arch文件夾下的3個文件——cc.h、sys_arch.h和sys_arch.c。其中cc.h中有與CPU和編譯器有關的定義，包括數(shù)據(jù)結構和大小端存儲方式等。其中關鍵代碼區(qū)的保護用uC/OS-II中的相應函數(shù)替換一下即可。剩下的兩個與操作系統(tǒng)有關的文件是移植工作的重點。
為了增強移植性，LwIP專門把和操作系統(tǒng)有關的數(shù)據(jù)結構和函數(shù)放在一起組成操作系統(tǒng)封裝層，為諸如定時、進程同步和消息傳遞等操作系統(tǒng)服務提供統(tǒng)一的接口，移植時僅需針對不同的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)特定的操作系統(tǒng)封裝層，這些是由sys_arch.h和sys_arch.c實現(xiàn)的。其中sys_arch.h主要定義與操作系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)結構——信號量、郵箱和進程號，這些在uC/OS-II中都有對應的實體，要注意的是LwIP中的郵箱對應于uC/OS-II中的消息隊列。
sys_arch.c中要實現(xiàn)和操作系統(tǒng)有關函數(shù)的定義，包括系統(tǒng)的初始化以及信號和郵箱的操作——創(chuàng)建、刪除、投遞和等待，這些功能只需要用uC/OS-II中相應的函數(shù)進行重新封裝即可。另外，TCP/IP協(xié)議棧中需要許多定時器的功能，這在LwIP中是用sys_timeout結構體隊列和相應的函數(shù)實現(xiàn)的 。每個sys_timeout結構體包括本線程的timeout時間長度，以及超時后的回調(diào)處理函數(shù)
。sys_arch.c中sys_arch_timeouts（）函數(shù)的功能就是返回當前進程所對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。本系統(tǒng)用的方法是在系統(tǒng)初始化的時候根據(jù)最大的LwIP進程數(shù)創(chuàng)建一個sys_timeout結構體指針的數(shù)組，以后每創(chuàng)建一個LwIP進程其優(yōu)先級都從一個連續(xù)的已知區(qū)間進行分配，sys_arch_timeouts（）函數(shù)通過調(diào)用OSTaskQuery（）函數(shù)獲得進程的優(yōu)先級進而獲得對應的sys_timeout結構體隊列的頭指針。4.2 RTL8019AS驅(qū)動程序的編寫
RTL8019AS驅(qū)動程序做的工作主要是8019AS的初始化、發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。
初始化函數(shù)rtl8019_init（）是在添加以太網(wǎng)絡接口時由netif_add（）函數(shù)調(diào)用，調(diào)用過程中首先初始化此接口對應的全局網(wǎng)絡接口結構體，然后設置8019AS的各功能寄存器 。初始化完8019AS之后調(diào)用arp_init（）函數(shù)啟動ARP功能，然后用sys_timeout（）函數(shù)啟動ARP緩沖列表生命周期的定時器。
數(shù)據(jù)包的發(fā)送首先從ARP緩沖隊列中查找目的MAC地址，然后構造以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的頭部，最后調(diào)用底層的發(fā)送函數(shù)low_level_output（）將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果找不到對應的IP/MAC項，發(fā)送ARP請求數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包的接收由中斷處理函數(shù)rtl8019_ISR（）調(diào)用，它的執(zhí)行過程是先調(diào)用最底層的接收函數(shù)low_level_input（）從8019AS中接收數(shù)據(jù)幀，如果接收的是IP數(shù)據(jù)包，則更新ARP緩沖隊列并把數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡接口結構指定的函數(shù)進行處理。如果接收的是ARP數(shù)據(jù)包，則調(diào)用etharp_arp_input（）函數(shù)處理。為了提高性能，最底層的接收發(fā)送函數(shù)采用的都是8019AS的遠程DMA工作方式 。
5 總結
嵌入式設備與Internet的結合代表著嵌入式系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，目前已有不少科研機構和公司紛紛加入了嵌入式Internet技術的研究行列。在這種背景之下，本文設計了一種基于8位AVR單片機的多任務嵌入式Internet系統(tǒng)平臺，并且已經(jīng)應用在研究課題“低碼率視頻信號的網(wǎng)絡傳輸”系統(tǒng)中，對于嵌入式Internet技術的推廣應用具有參考意義。本文作者創(chuàng)新點：將實時嵌入式操作系統(tǒng)和輕型TCP/IP協(xié)議棧結合起來，應用在8位AVR單片機上，實現(xiàn)了低成本的多任務嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)平臺。
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