3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能主要是進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文和CAN 數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN 總線的互連；其次是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，通過人機交互接口改變網(wǎng)關(guān)的IP 地址和CAN 總線的波特率。整個嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3 所示。在進行任務(wù)設(shè)計之前的前期工作有：

　　① 實時操作系統(tǒng)的移植。μC/OS-II 可以在絕大多數(shù)8 位、16 位、32 位、以至64 位微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器（DSP）上運行。μC/OS-II 在LPC2292 上的移植可參考文獻[1]。

　?、?TCP/IP 協(xié)議和CAN 協(xié)議的嵌入。由于μC/OS-II 操作系統(tǒng)只包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間的通信同步（信號量、郵箱、消息隊列）和內(nèi)存管理等功能，所以用戶必須根據(jù)自己的需要添加一些功能模塊。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計將TCP/IP 和CAN 協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)中，并提供一些API 接口函數(shù)供用戶調(diào)用。

　　3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　采用RTOS 使整個設(shè)計簡單且易調(diào)試，各個任務(wù)相互獨立，而且各個任務(wù)具有不同的優(yōu)先級可以保證緊急任務(wù)及時響應(yīng)，從而能有效地對任務(wù)進行調(diào)度。系統(tǒng)軟件設(shè)計由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。 主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個函數(shù)。該函數(shù)永遠不返回，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件（包括中斷、鍵盤、顯示等）和操作系統(tǒng)（包括任務(wù)控制塊、事件控制塊）的初始化，而且在啟動多任務(wù)調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個任務(wù)。在本系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個啟動任務(wù)，主要負責(zé)時鐘的初始化和啟動、中斷的啟動、CAN 控制器的初始化與啟動、端口與IP 地址的初始化和RTL8019 的初始化與啟動，并且對各個應(yīng)用任務(wù)進行了劃分。在交出CPU 的使用權(quán)之后自做一些空閑處理。

　　3.3.1 任務(wù)的劃分

　　要完成多任務(wù)系統(tǒng)的各種功能必須對任務(wù)進行劃分。本程序根據(jù)各個任務(wù)的重要性和實時性，把整個模塊分成7 個具有不同優(yōu)先級的應(yīng)用任務(wù)：系統(tǒng)監(jiān)控、CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤掃描、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送、協(xié)議轉(zhuǎn)換、LED顯示、系統(tǒng)配置等。表1 所示為任務(wù)劃分表。

表1 任物劃分表

除了7 個主要應(yīng)用任務(wù)之外，還有兩個中斷服務(wù)子程序：一個時鐘節(jié)拍中斷，提供周期性信號源；另一個接收中斷，把接收到的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。

　　3.1.2 任務(wù)的具體實現(xiàn)任務(wù)劃分后，各任務(wù)具有獨立的堆棧空間，彼此爭奪CPU 的使用權(quán)。一旦獲得CPU 的使用權(quán)，就會獨立運行而完成特定的功能。

　　CAN 總線通信模塊包括數(shù)據(jù)傳輸和總線管理兩個部分。數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)的功能有CAN 初始化、CAN 報文發(fā)送和CAN 報文接收。CAN 初始化及報文的接收在啟動任務(wù)與中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)，CAN 報文發(fā)送和總線管理作為一個單獨的任務(wù)獨立運行?？偩€管理功能塊實現(xiàn)的主要是總線檢測，判斷一路總線是否良好。如果不是，就進入另一路總線檢測；如果冗余總線良好，就采用冗余總線通信。CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)需要系統(tǒng)調(diào)度器通知是否有待發(fā)送數(shù)據(jù)進入發(fā)送隊列，任務(wù)的實現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)實現(xiàn)圖

　　以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能塊和數(shù)據(jù)協(xié)議管理功能塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)的收發(fā)功能塊主要實現(xiàn)RTL8019 的初始化、數(shù)據(jù)報文的發(fā)送與接收。同理，RTL8019 的初始化在系統(tǒng)的啟動任務(wù)中實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的接收在RTL8019 的中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)。數(shù)據(jù)協(xié)議管理主要實現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)報文的解析，以及給待發(fā)送數(shù)據(jù)添加協(xié)議報頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與協(xié)議管理分別作為獨立任務(wù)運行。

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)同樣需要系統(tǒng)調(diào)度器通知發(fā)送隊列中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)。若沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將 該任務(wù)掛起，系統(tǒng)運行其他任務(wù)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過對RTL8019 的操作完成，根據(jù)RTL8019 的狀態(tài)，將發(fā)送隊列中數(shù)據(jù)通過DMA 傳送到8019 的發(fā)送緩沖區(qū)啟動發(fā)送，并根據(jù)發(fā)送結(jié)果，對發(fā)送隊列指針進行調(diào)整。

　　以太網(wǎng)協(xié)議管理即協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)在用戶數(shù)據(jù)與8019 驅(qū)動需要的數(shù)據(jù)報文之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。TCP/IP 協(xié)議為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層等4 層模型，每層具有不同的功能，并對應(yīng)相應(yīng)的子協(xié)議，而且層與層之間在邏輯上是相互獨立的。在編程時，可以直接調(diào)用嵌入的TCP/IP 協(xié)議的API 函數(shù)對數(shù)據(jù)報文進行分層。該任務(wù)對從8019 傳過來的數(shù)據(jù)處理示意圖如圖5 所示。不同的子協(xié)議具有不同的功能號，任務(wù)根據(jù)功能號對協(xié)議進行區(qū)別。把用戶數(shù)據(jù)傳遞給8019 驅(qū)動的示意圖是圖5 的逆序表示。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)的數(shù)據(jù)處理的示意圖

　　3.3.3 任務(wù)間的同步與調(diào)度

　　通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般的函數(shù)，它是一個無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)是不會放棄對CPU 的使用權(quán)的。為了實現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標志的設(shè)置。整個系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)運行示意圖

　　各個任務(wù)具有不同的優(yōu)先級，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時函數(shù)可以啟動具有更高優(yōu)先級的進入就緒態(tài)的任務(wù)。高優(yōu)先級的任務(wù)，例如1、2、3、4 號任務(wù)，往往由于申請某個資源而發(fā)生阻塞，進入掛起態(tài)。系統(tǒng)調(diào)度器啟動低優(yōu)先級的任務(wù)，通過對延時參數(shù)的設(shè)置，每隔一定時鐘節(jié)拍就啟動鍵盤掃描或LED 顯示任務(wù)。如果其中有任何一事件發(fā)生就啟動相關(guān)的任務(wù)，這個過程通過信號量的通信機制來實現(xiàn)。對每一個事件分配一個信號量，一旦事件發(fā)生就啟動信號量的等待任務(wù)列表中進入就緒態(tài)的任務(wù)，從而保證任務(wù)與事件的同步。

　　4 結(jié)束語

　　在嵌入式硬件平臺的基礎(chǔ)上，用μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序有其獨到之處，用戶可以直接利用系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫自己的應(yīng)用程序，毋需另行開發(fā)，大大方便了用戶編程，縮短了軟件的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率；基于ARM LPC2292 CAN 總線和以太網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)，在實驗調(diào)試過程中運行狀況良好，工作穩(wěn)定。