基于AVR单片机的多任务嵌入式Internet系统设计

3 操作系统移植

uC/OS-II是一个专门为中小型嵌入式应用设计的抢占式的实时操作系统内核，具有源代码公开、移植性好、可裁减、可固化、实时性和安全稳定性高的特点 ，非常适合本系统的应用。uC/OS-II的系统框图如图2所示。

uC/OS-II与硬件平台无关的代码文件：UCOS_CORE.C、UCOS_II.C等

uC/OS-II配置代码文件：INCLUDES.H 、OS_CFG.H

                     

                                           图2：uC/OS-II的系统框图

uC/OS-II在设计之初就充分考虑了移植性，移植起来非常方便。从图2可以看出，与移植有关的只有3个文件：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S。

第1个文件是OS_CPU.H，其中主要定义了一些与编译器有关的数据类型、堆栈的生长方向、临界代码区的保护方式。需要说明的是uC/OS-II中临界代码区的保护方式有3种，本设计采用第3种，即在进入临界区之前把CPU状态寄存器SREG的内容保存到一个局部变量cpu_sr中，在退出临界区之后再还原SREG，这样做的好处是临界区保护不会对SREG产生影响。其中SREG的保存和返回函数必须由汇编语言来写，放在OS_CPU_A.S文件中。

第2个文件OS_CPU_C.C中主要是任务堆栈初始化函数OSTaskStkInit（），任务创建时调用此函数来初始化任务的堆栈结构。该函数一开始把传入的任务函数的指针存放到硬件堆栈的栈顶，看上去就像该函数在执行过程中发生了中断一样（低字节在先），这样返回后就可以从新的任务开始执行了。需要特别注意的是，在这个函数中必须把CPU状态寄存器SREG的值设为0x80，也就是全局中断使能，否则系统将崩溃。

最后一个文件OS_CPU_A.S是一个汇编源文件，主要定义了6个汇编函数。首先是临界区保护用到的SREG保存和恢复函数。然后定义的是OSStartHighRdy（）函数，它只在系统启动时由OSStart（）函数调用一次，所做的工作主要是让系统从最高优先级的任务开始执行，实现的方法和后面要介绍的OSCtxSw（）函数相似。OSCtxSw（）函数实现的是任务级的切换，首先把当前的任务的状态保存到其任务控制块TCB中，然后把当前优先级最高的任务的TCB中的内容加载到工作寄存器中，这样函数返回后就可以从此任务开始执行了。接下来的OSIntCtxSw（）函数实现的是中断级的任务切换，它和OSCtxSw（）函数的唯一不同是它是在中断中调用的，因此不需要保存工作寄存器的内容，剩下的和任务级的切换过程完全一样。最后一个定义的是节拍时钟的中断服务子程序，在这个函数中的开始要令中断欠套全局变量加1，并且调用时钟管理函数OSTimeTick（），中断退出时调用系统提供的中断退出函数OSIntExit（）。

4 网络平台设计

LwIP是一套专门为嵌入式系统设计的源码开放的轻型协议栈，最新版本是LwIP1.1.0。LwIP在保持TCP/IP协议基本要求的前提下，通过层与层之间共享内存，避免了许多繁琐的复制处理，这样做虽然破坏了严格的分层思想，但却大幅度地节省了代码和数据存储空间，因此非常适合嵌入式应用。与其他轻型协议栈不同的是，LwIP不仅支持一般的网络协议，比如UDP协议、DHCP协议、PPP协议等，而且还支持多网络接口、IPv6和标准API 。

                        

                                            图3：LwIP运行机制

4.1 LwIP在uC/OS-II上的移植

针对uC/OS-II和AVR的ICC编译器，LwIP的移植只需要编写arch文件夹下的3个文件——cc.h、sys_arch.h和sys_arch.c。其中cc.h中有与CPU和编译器有关的定义，包括数据结构和大小端存储方式等。其中关键代码区的保护用uC/OS-II中的相应函数替换一下即可。剩下的两个与操作系统有关的文件是移植工作的重点。

为了增强移植性，LwIP专门把和操作系统有关的数据结构和函数放在一起组成操作系统封装层，为诸如定时、进程同步和消息传递等操作系统服务提供统一的接口，移植时仅需针对不同的操作系统来实现特定的操作系统封装层，这些是由sys_arch.h和sys_arch.c实现的。其中sys_arch.h主要定义与操作系统相关的数据结构——信号量、邮箱和进程号，这些在uC/OS-II中都有对应的实体，要注意的是LwIP中的邮箱对应于uC/OS-II中的消息队列。

sys_arch.c中要实现和操作系统有关函数的定义，包括系统的初始化以及信号和邮箱的操作——创建、删除、投递和等待，这些功能只需要用uC/OS-II中相应的函数进行重新封装即可。另外，TCP/IP协议栈中需要许多定时器的功能，这在LwIP中是用sys_timeout结构体队列和相应的函数实现的 。每个sys_timeout结构体包括本线程的timeout时间长度，以及超时后的回调处理函数。sys_arch.c中sys_arch_timeouts（）函数的功能就是返回当前进程所对应的sys_timeout结构体队列的头指针。本系统用的方法是在系统初始化的时候根据最大的LwIP进程数创建一个sys_timeout结构体指针的数组，以后每创建一个LwIP进程其优先级都从一个连续的已知区间进行分配，sys_arch_timeouts（）函数通过调用OSTaskQuery（）函数获得进程的优先级进而获得对应的sys_timeout结构体队列的头指针。