摘要：針對實時操作系統(tǒng) μC/OS-II沒有自己的網(wǎng)絡協(xié)議棧，提出了基于 ARM7TDMI處理器的 μC/OS-II操作系統(tǒng)上輕型 PPP協(xié)議的設計與實現(xiàn)，對 μC/OS-II與處理器相關(guān)的代碼部分進行了修改與編譯，實現(xiàn)了 μC/OS-II在 ARM開發(fā)板上移植，為 PPP協(xié)議的設計與實現(xiàn)提供了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。通過編寫了 PPP協(xié)議main主模塊、LCP模塊、PAP模塊、NCP模塊和PPP等模塊代碼，在μC/OS-II操作系統(tǒng)中實現(xiàn)了輕型 PPP協(xié)議。通過測試，驗證了 ARM開發(fā)板的 PPP協(xié)議的網(wǎng)絡通信功能。

1 引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，讓嵌入式設備接入 Internet，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享，是未來發(fā)展的必然趨勢，μC/OS-II操作系統(tǒng)中沒有完備的網(wǎng)絡協(xié)議棧[1,2]，要實現(xiàn)嵌入式設備網(wǎng)絡通信，必須要有自己的網(wǎng)絡協(xié)議。鑒于目前 PPP協(xié)議使用的普遍性和廣泛性[3,4]，本文提出了基于 ARM7TDMI處理器的 μC/OS-II操作系統(tǒng)上 PPP協(xié)議的設計與實現(xiàn)。通過 PPP協(xié)議在 μC/OS-II上的實現(xiàn)[5,6]，能讓嵌入式設備接入 Internet，進行信息互訪，為未來的“普適計算”的發(fā)展提供了一個有利條件。

2 μC/OS-II移植實現(xiàn)

2.1編寫 ARM7TDMI的啟動程序

啟動代碼是芯片復位后進入 C語言的 main()函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，啟動代碼主要有 4個文件： Vectors.s、Init.s、Target.c和 Target.h。Vectors.s主要包括了異常向量表、堆棧初始化 InitStack和中斷服務程序與 C程序的接口。而 Init.s主要是指系統(tǒng)初始化代碼，執(zhí)行的順序是初始化堆棧，目標設備初始化和執(zhí)行 Main模塊。對于 Target.c和 Target.h來說，主要包含了異常處理程序和目標板初始化程序。

2.2 μC/OS-II的移植

OS_CPU.H中函數(shù)軟中斷 SWI機制[7]，為了使底層接口函數(shù)與處理器狀態(tài)無關(guān)，同時在對底層函數(shù)調(diào)用不需要知道函數(shù)的位置，因此在 uC/OS移植中，使用軟中斷指令 SWI[1]作為底層接口，通過不同的功能號來區(qū)分不同的函數(shù)，其軟功能分配號如表 1所示。

用軟中斷作為操作系統(tǒng)的底層接口就需要在 C語言中使用 SWI指令。在 ADS中，有一個關(guān)鍵字_swi，用它聲明一個不存在的函數(shù)，若在用戶任務中調(diào)用這個函數(shù)就在調(diào)用這個函數(shù)的任務代碼中地方插入一條 SWI指令，并且指定了功能號。

OS_CPU.H中關(guān)中斷 OS_ENTER_CRITICAL()和開中斷 OS_EXIT_CRITICAL()都是用來保護臨界資源代碼[8]。移植使用軟中斷指令 SWI使處理器進入管理模式和 ARM指令狀態(tài)，并通過調(diào)用功能號 0x02和 Ox03來關(guān)中斷和開中斷。但在 C語言中，仍然使用 OS_ENTER_CRITICAL()關(guān)中斷，而使用 OS_EXIT_CRITICAL()開中斷。

OS_CPU.H中通過使用結(jié)構(gòu)常量 OS_STK_GROWTH中值來指定堆棧的生長方式：當 OS_STK_GROWTH置為 1時，表示在堆棧存儲時，是從上到下的方式存儲。當 OS_STK_GROWTH置為 0時，表示在堆棧存儲時，是從下向上的方式存儲。

OS_CPU_A.S中OS_TASK_SW()是在μC/OS-II中從低優(yōu)先級任務切換到最高優(yōu)先級任務時被調(diào)用的。在 ARM移植使用軟中斷指令 SWI使處理器進入管理模式和 ARM指令狀態(tài)，并調(diào)用功能號 0實現(xiàn) OS_TASK_SW()的功能。但在 C語言中，仍然使用 OS_TASK_SW()函數(shù)進行任務切換功能。

OS_CPU_A.S中 OSStartHighRdy()：在多任務環(huán)境下， OSStart()最終調(diào)用 OSStartHighRdy()函數(shù)運行多任務啟動優(yōu)先級最高的任務。移植中使用軟中斷指令 SWI使處理器進入管理模式和 ARM指令狀態(tài)，并使用功能號 1實現(xiàn) OSStartHighRdy()功能。在調(diào)用 OSStartHighRdy()函數(shù)之前， OSTCBHighRdy指向的是優(yōu)先級最高的任務的任務控制塊。

OS_CPU_C.C中斷服務子程序的算法如下： void XxxISR(void) {OS_ENTER_CRITICAL()或直接給變量 OSIntSum賦 1；

清除中斷源（與具體的外設有關(guān)）；通知中斷控制器中斷結(jié)束：VICVectAddr=0；開中斷：OS_EXIT_CRITICAL()；用戶處理程序；}

OS_CPU_C.C中任務堆棧的初始化函數(shù) OSTaskStkInit() OS_STK *OSTaskStkInit() {模擬帶參數(shù)（pdata）的函數(shù)調(diào)用；

模擬 ISR向量；按照預先所設定的寄存器值初始化堆棧結(jié)構(gòu)；返回棧頂指針給調(diào)用該函數(shù)的函數(shù)；}

3 輕型 PPP協(xié)議的設計與實現(xiàn)

PPP協(xié)議軟件模塊主要通過各層協(xié)商機制完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、配置、測試、以及在鏈路連接建立后，將收到的 PPP數(shù)據(jù)幀解析，根據(jù)協(xié)議字段將數(shù)據(jù)信息交由不同的上層模塊進行處理；同時可根據(jù)系統(tǒng)的需要，將上層模塊傳來的信息打包成不同的PPP數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

Main主模塊：該模塊控制著整個 PPP守護進程的程序流程。當PPP連接成功后，它使 PPP守護進程進入休眠狀態(tài)，一直到管理員斷開或者外部事件引起斷開時它負責斷開 PPP連接。在 PPP成功建立連接后，建立一個信號量，由 PPP模塊處理任務不斷檢測這個信號量；若檢測到有調(diào)制解調(diào)器中斷復服務程序發(fā)來的信號量，則進行PPP數(shù)據(jù)幀的發(fā)送或接收。

LCP模塊：該階段是通過交換配置數(shù)據(jù)包來建立和配置數(shù)據(jù)鏈路，發(fā)送 LCP REQ數(shù)據(jù)包，將會收到客戶端的發(fā)送過來的 LCP ACK數(shù)據(jù)包，客戶端還要回 REQ數(shù)據(jù)包，服務器端接受到 LCP REQ后，則向客戶端同樣發(fā)送一個 LCP ACK數(shù)據(jù)包，至此鏈路協(xié)商正式結(jié)束。

認證協(xié)商模塊（ PAP）：認證階段是可選的，如果在鏈路建立協(xié)商階段，服務器發(fā)送的第一個 LCP REQ數(shù)據(jù)包中含有了認證的數(shù)據(jù)選項，而且其數(shù)據(jù)選項一直沒有被對方拒絕并且得到確認，則進入認證協(xié)商階段；否則，進入網(wǎng)絡層協(xié)商階段。

網(wǎng)絡層協(xié)商模塊（NCP）:NCP協(xié)商的主要目的是服務器首先讓客戶端確認自身的 IP地址，然后給客戶端動態(tài)分配一個合法的 IP地址。網(wǎng)絡層協(xié)商 NCP每次請求數(shù)據(jù)包必須含有服務器端的 IP選項，并且此選項最終被確認。在客戶端回送了對服務器端的確認數(shù)據(jù)包后，開始進入客戶端向服務器端申請動態(tài)分配 IP地址的階段，所以客戶端繼續(xù)向服務器端發(fā)送含有客戶端 IP地址且值為 0的 NCP REQ數(shù)據(jù)包，服務器端接受到這個數(shù)據(jù)包后，從 IP地址池中取出一個合法的 IP地址，發(fā)送了一個 NCP NAK數(shù)據(jù)包。在該數(shù)據(jù)包中，客戶端 IP地址的數(shù)據(jù)選項中填入了從 IP地址池中取出的 IP地址的值，即給客戶端動態(tài)的分配 IP地址的值。隨后，客戶端將接收到的 NCP NAK中的 IP地址值作為下一次回送的 NCP REQ中的客戶端的 IP地址值的選項。當服務器端再接收到此 NCP REQ數(shù)據(jù)包后，便發(fā)送 NCP ACK數(shù)據(jù)包，至此整個 PPP協(xié)商過程結(jié)束，鏈路建立成功。

PPP模塊:在協(xié)商好網(wǎng)絡協(xié)議，可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。為了更實時的進行數(shù)據(jù)傳輸，在這里為 PPP協(xié)議模塊建立一個信號量，當發(fā)生 modem接受事件時，當 Modem接收到數(shù)據(jù)時引發(fā)處理器的外部中斷。在外部中斷 0處理函數(shù)中，將接收到的數(shù)據(jù)存入串口緩沖區(qū)中，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已組成了一個完整的 PPP數(shù)據(jù)幀，則由中斷服務子程序通過 μC/OS-II所提供的 OSSemPost()向任務 PPP模塊任務發(fā)送一個信號量。

對PPP模塊任務來說，通過 OSSemPend()函數(shù)等待由Modem中斷服務程序發(fā)出的信號量，當接收到這個信號量后，說明有事件發(fā)生；再次判斷這個事件是什么事件，若是接送事件，則調(diào)用 Receive()接收PPP數(shù)據(jù)幀，放到 SRAM接收緩沖區(qū)，若接收后，判斷接收緩沖區(qū)是否正確地接收到數(shù)據(jù)，若正確地接收到PPP數(shù)據(jù)幀時，則調(diào)用 PPPInput()進行對PPP數(shù)據(jù)幀的解析。若幀類型是 IP則調(diào)用 IP數(shù)據(jù)包的處理例程；若幀類型是 LCP則調(diào)用LCP數(shù)據(jù)幀的處理例程；若幀類型是 PAP、NCP則分別調(diào)用這兩種類型數(shù)據(jù)包的處理例程。若是發(fā)送事件，則調(diào)用Send()發(fā)送PPP數(shù)據(jù)幀。

4 輕型 PPP協(xié)議模塊的測試和性能分析

根據(jù)點對點通信的特點，分別在 PC和ARM板兩端安裝一個Modem，通過一個交換機，或直接用電話線連接起來。由 PC端通過撥號軟件，進行與 ARM開發(fā)板端的連接后，分別通過雙方的協(xié)商，建立數(shù)據(jù)通信；在ARM開發(fā)板端，建立一個Test_task測試任務模塊，將一個信息“ hello world”封裝成 UDP包，再經(jīng) PPP模塊的封裝，發(fā)送到 PC機端，PC機端若與ARM板連接成功，在 Modem狀態(tài)對話框中，能夠正確的顯示出對方所發(fā)送來的字符數(shù)和自己發(fā)送給對方字節(jié)數(shù)以及連接狀態(tài)；若 PC端顯示出這個信息，說明PPP模塊得以實現(xiàn)。通過測試后，其 Modem狀態(tài)連接圖如圖 1所示。

從PC端的Modem狀態(tài)連接圖可知，該 PC機端已經(jīng)通過了相互協(xié)商，建立連接，處于數(shù)據(jù)幀的接收狀態(tài)。已經(jīng)正確地接收到由 ARM開發(fā)板所發(fā)送的PPP數(shù)據(jù)幀，進行了相互通信，表明 ARM板上PPP協(xié)議成功的得到了實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點在于從uCOS—II內(nèi)核工作原理入手 ,以ARM開發(fā)板為平臺，簡述了系統(tǒng)硬件平臺 ARM7TDMI處理器的體系結(jié)構(gòu)和相應的指令集。對與處理器相關(guān)的代碼部分進行了修改與編譯，實現(xiàn)了μC/OS-II在ARM開發(fā)板上移植；在該系統(tǒng)平臺上重點的介紹了輕型PPP協(xié)議設計與實現(xiàn)的具體過程,主要對main主模塊、LCP模塊、PAP模塊、NCP模塊和PPP模塊等五個方面的設計與代碼編寫。通過測試，驗證了ARM開發(fā)板的PPP協(xié)議的網(wǎng)絡通信功能。