基于ARM微处理器的以太网工业智能控制器.

基于ＡＲＭ微处理器的以太网工业智能控制器郭剑锋（北京机械工业自动化研究所．北京１０００１１）摘要。

详细描述了采用ＡＲＭ微处理器和Ｒｅａｉｔｅｋ全双工以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ设计一个以太网通信的硬件平台的过程，并将具有ＬｗｌＰ协议栈和ｕＣ／ＯＳＩＩ实时操作系统移植到该平台上，使该系统能够实现以太网通信控制功能。

介绍了该设备的应用对象，及在该设备基础上组建一个工业以太网控制系统的应用案例。

关键词。

ＡＲＭ；以太网：现场总线；ｕＣ／ＯＳ¨：ＬｗｌＰ：工业控制器中田分类号。

ＴＰ３９文章编号。

１００９一０１文献标识码。

Ａ３４（２００４）０３一００７５—０３１现场总线与工业以太网发展现状以太网及ＴＣＰ／１Ｐ通信技术广泛麻用于商业办公同时达到１０Ｍｂｐｓ的速率；内置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ，用于收发缓冲，降低对｝ｉ处理器的速度要求。

领域。

近年来，由丁陶际现场总线技术标准化上作没有达剑人们理想的结果，以太网及ＴＣＰ／ＩＰ技术逐步在自动化ｆｆ、ｌｋ中得到应用，并发展成为－种技术潮流。

Ｈ前，我国在以太网应用于工业控制方面的研究刚刚起步，虽然已经有计多关于Ｄ啦以太网方面的文章，但雉奉Ｊ二都是停留在理论的分析与探讨上，真正致力于工业以太网实际应用的方案和工程实例很少。

２基于ＡＲＭ的以太网工业控制系统的实现由于早期的微处理器速度慢，功能简单Ｈ价格昂贵，尤法处理Ｅｔｈｅｍｅｔ＋ＴＣＰ／ＩＰ的通信机制。

近年来，随着ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｉｒｃｕｉｔ）技术及ｓＯＣ（ＳｙｓｔｅｍＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｎ２刚１硬件体系结构框罔２软件移植硬件，Ｆ台的软件移植可分为３个部分：Ｃｈｉｐ）技术的迅ＲＴＬ８０１９ＡＳ驱动程序的编写、ｕｃ／ＯｓＩＩ操作系统的移植、ＬｗｌＰ协议栈的移植。

（１）ｕＣ／ＯＳ１１实时操作系统的移植ｕＣ／ＯＳ猛发展，国际上的芯片制造商提供了许多功能丰富、处理速度高的芯片，这使得整个网络的瓶颈效麻集中任应用现场总线的设备层上的问题得以解决。

２．１硬件平台的设计ＡＲＭ核的ＡＴ９ｌＲ４０００１Ｉ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统，是‘个町移植、可裁剪、占先式多任务操作系统，已被应用到多种微处理器上，其人部分源码是用ＡＮＳＩＣ语言编写的。

移植上作包括以卜儿个内容：ａ．修改ｏｓ＿ｃＰＵ．Ｈ中的常量、数据类型和宏；ｂ用ｃ语占改写ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ８微处理器和３２ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太网控制器足硬件平台的核心器件。

采用ＡＲＭ核微处理器具有很高的性价比。

ＡＲＭ位体系结构日莳被公认为是业界领先的３２位嵌入式ＲＩＳＣ微处理器结构。

其具有４人特点：小体积、低功耗、成本低、高性能。

硬件体系结构如图１所示。

以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ的主要性能：符合ＥＴＨＥＲＮＥＴＣ中６个简单的函数；ｃ用汇编语言改写ＯＳ～ＣＰＵ—ＡＡＳＭ中的４个函数；①ＯＳ—ｃＰＵ．Ｈ文件：ＯＳ—ＣＰＵ。

Ｈ包括＃ｄｅｆｉｎｅ、ｔｙｐｅｄｅｆ定义与ＣＰＵ相关信息。

ｕＣ／ＯＳＩＩ定义了两个宏米禁止和允许中断：ＯＳ—ＥＮＴＥＲ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ０和ＩＩ与ＩＥＥＥ８０２．３标准；全双＿［，收发可收釉日期：２００３一Ｉ２－３１作者筒介：郭剑锋，咒，在读颁土研究串，主要研究方向为』＝业以太刚，嵌入式系统．现场总线技术。

第２６卷第３期２００４—０３［７５１万方数据１和ＯＬＡＣＩＴｌＲＣ．ｎ．塑ｌ兰生！翌竺ＯＳ—ＥＸＩＴ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）。

吏现的方法有两种：ａ．直接调用处理器指令来禁止巾断和允许中断；ｂ．在ＯＳ—ＥＮＴＥＲ—ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）中，先将小断状态保存到堆栈ＩｆＴ，然后禁止中断，而执行ＯＳ—ＥＸＩＴ—ＣＲＩＴＩ—ＣＡＬ（）｝Ｉ是从堆栈中恢复小断状态。

｝ｌ寸不同处理的处理器有不同的字艮，所以ｕＣ／ＯＳＩＩ的移植包括一系列的类型定义，以确保ｎｆ移植性。

如ＩＩＮＴｌ６Ｕ数据类型总是代表１６位无符号整数，将ｕＣ／ＯＳ１１移植到３２位处理器Ｉ：，也就意味着ＩＮＴｌ６Ｕ实际被声明为无符号短整型数而不是无符号整形数。

②ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ文件：ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔＨｏｏｋＯ、ｏＳＴａｓｋＤｅ１ＨＯＯｋ（）、ＯＳＴａｓｋＳＷｈＯＯｋ（）、ｏｓＴａｓｋｓｔａｔＨ００ｋ（）、ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｋＨｏｏｋ０这此Ｉ响数为崩户定义，实际需要修改的只有ＯＳＴａｓｋＳｔｋｌｉｎｉｔ（）函数。

ＯＳＴａｓｋＳｔｋｌｉｎｉｔ０Ｊ１１米初始化任务堆栈，初始状念的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。

由十任ＡＲＭ中堆栈是按３２位数据类型束进行操作，所以堆栈数据类型ＯＳ—Ｓ．ＴＫ声明为３２位无符号整数。

④ＯＳ—ＣＰＵ—ＡＡＳＭ文伫这里要实现４个汇编函数改写：多任务启动函数中调用ＯＳＳＴａｒｔＨｉｇｈｔＲｄｙ０、任务切换函数ＯＳＣｔｘＳｗ０、中断任务切换ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ０、时钟节拍眼务函数ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ０。

任务切换函数ＯＳＣｔｘＳｗ０，由任务切换函数ＯＳ—ＴＡＳＫ—ＳＷＯ进入。

如粜任务执行了某个函数，其结果改变ｒ当前任务的状态（如ＯＳＴａｓｋＳｕｓｐｅｎｄ（）、ＯＳＴｉｍｅＤｌｙ（）），或者是改变了别的任务的状态（ＯＳＴａｓｋＲｅｓｕｍ０、ＯＳＴｉｍｅＤｌｙＲｅｓｕｍｅ（））都要引起新的任务调度函数（ＯＳＳｃｈｅｄＯ）执行ＯＳ—ＴＡＳＫ—ＳＷ０。

ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）足在ＩＳＲ中被调用的，其代码与ＯｓＣｔＸＳＷ（）类似。

要注意的足：由于ＯＳＥＮＴＥＲ０ＳＥＸＩＴＣＲｌＴＩＣＡＩ使用的打法足方法２，所以ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ０中的常量为１０。

ＯＳＳ＇ｔａｒｔＨｉｇｈｔＲｄｙ（）由ＯＳＳｔａｒｔ（）函数调用，功能足运行优先级最高的任务。

ＯＳＴｉｃｋｌＳＲ（）是时钟节拍中断，朋户应该在ＯＳＳｔａｒｔ０运行后，ｕＣ／ＯＳ１１启动运行的第一个任务中初始化侮拍中断。

（２）ＬｗｌＰ协议栈的移植ＬｗＩＰ协议栈杠没计时就考虑到了将来的移植问１７６１第２６卷第３期２００４０３万方数据题，因此把所有与硬件、ＯＳ、编译器相关的船份独，虹山束，放在／ｓｒｃｌａｒｃｈＬＩ录下。

因此ＬｗＩＰ杠ｕＣ／０Ｓｎ上的实现就足修改这个Ｈ录ｒ的文件，其它的文件一般不应该修改。

ｒ面分几部份分别说明相麻文件的实现原理和过程。

①与ＣＰＵ或编译器相关的ｉｎｃｌｕｄｅ文件：／ｓｒｃ／ａｒｃｈ／ｉｎｃｌｕｄｅ／ａｒｃｈ目ｊｊ乏下ＣＣｈ、ｃｐｕｈ、ｐｅｒｆ．ｈ中有‘些与ＣＰＵ或编译器相关的定义，如数据长度，字的高低位顺序等。

这麻该与用户实现ｕＣ／０ＳＩＩ时定义的数据长度等参数是一致的。

②ｓｙｓ—ａｒｃｈ操作系统相关部分ｓｙｓ—ａｒｃｈ．［ｏｈＪ巾的内容是与ＯＳ相荚的一些结构和函数，ｌｉ要可以分为４个部份：①ｓｙｓ—ｓｅｎｌ—ｔ信号量；②ｓｙｓ—ｍｂｏｘ＿ｔ消息；③ｓｙｓ＿ａｒｃｈ＿ｔｉｍｅｏｕｔ函数；④ｓｙｓ—ｔｈｒｅａｄ—ｎｅｗ创建新线程。

⑦ｌｉｂ＿ａｒｃｈ中库函数的实现：ＬｗＩＰ协议栈中用到了８个外部函数，这些函数通常ｑＪｆＪ户使用的系统或编译器有关。

（３）刚络没备驱动程序的没计网络芯片为ＲｅａｌＴｅｋ的ＲＴＬ８０１９ａｓ、芯片，这足ＩＳＡ１０ＢＡＳＥ—Ｔ的以太网芯片，与Ｎｅ２ｋ兼容。

ＬｗＩＰ的网络驱动有一定的模型，Ｉｓｒｃｌｎｅｔｉｆｌｅｔｈｅｍｅｔｉｆ．ｃ文件即为驱动的模板。

在ＬｗＩＰ中可以有多个网络接口，每个网络接ｕ都对应了・个ｓｔｒｔａｃｔｎｅｔｉＬ这个ｎｅｔｉｆ包含ｒ相麻网络接口的属性、收发函数。

ＬｗＩＰ、蒯用ｎｅｔｉｆ的疗法ｎｅｔｉｆ－＞ｉｎｐｕｔ０及ｎｅｔｉｆＵ＞ｏｕｔｐｕｔ０进行以太网ｐａｃｋｅｔ的收、发等操作。

杠驱动・｛－扛要做的，就是实现网络接ｒＩ的收、发、初始化以及中断处理函数。

驱动程序工作在ＩＰ协议模型的网络接口层，它提供给卜层（ＩＰ层）的接ｌ＿：】函数如～Ｆ：／／网卡初始化函数ｖｏｉｄｅｔｈｅｒｎｅｔｉｆ＿ｉｎｉｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｔｉｆ４ｎｅｔｉｆ）枷日帚接收函数，从网络接ＩＩ接收以太网数据包并把其中的ＩＰ报文向ＩＰ层发送ｖｏｉｄｅｔｈｅｍｅｔｉｆｉｎｐｕｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｄｆ４ｎｅｔｉｆ）／／嗍卡发送函数，给ＴＰ层传过来的ＩＰ报文加上以太网包头并通过嘲络接口发送ｅｒｒ＿ｔｅｔｈｅｍｅｔｉｆｏｕｔｐｕｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｔｉｆ。

ｎｅｔｉＬｓｔｒｕｃｔｐｂｕｆ＋Ｐ，ｓｔｒｕｃｔｉｐ—ａｄｄｒ＋ｉｐａｄｄｒ）／／网卡中断处理函数ＩＳＲｖｏｉｄｅｔｈｅｒｎｅｔｉｆｉｓｒ（ｖｏｉｄ）；用。

蠹罢ｐ葛：豢’”嚣鬈黧震：。

“语束结务ｌ违廿勺矽似以Ｊ：的函数都可以分为协议栈本身的处理和对网络接【＿Ｉ硬件的操作两部分。

ｕＣ／ＯＳ１１和ＬｗｌＰ系统示意图如图２所示。

｜剞２ｕＣ／ＯＳＩｔ、ＬｗＩＰ体系结构２．３应用实例的建立和测试完成移植修改工作以后，就ｎｒ吼在ｕＣ／ＯＳＩＩ中初始化ＬｗｌＰ，并创建ＴＣＰ或ＵＤＰ任务进行测试，。

这部份完全足Ｃ语占的实现。

ＬｗｌＰ的初始化必须祥ｕＣ／０Ｓ１１完伞启动之后也就足在任务中进行，因为它的初始化用到ｒ信号量等Ｏｓ相笑的操作。

关键部分的代码和说明如Ｆ：ｍａｉｎｏｆＯＳｌｎｉｔ０；ＯＳＴａｓｋｃｒｅａｔｅ（１ｗｉｐ—ｉｎｉｔ—ｔａｓｋ，＆ＬｉｎｅＮｏｌｌ，＆１ｗｉｐ＿ｉｎｉｔ＿ｓｔｋ［ＴＡＳＫ—ＳＴＫ—ＳＩＺＥ圳，０）；ＴＣＰ／ＩＰ协议，将能通过标准的浏览器（ＭＳＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ（ｕｓｒ—ｔａｓｋ，＆ＬｉｎｅＮｏｌ２，＆ｕｓｒ＿ｓｔｋ［ＴＡＳＫＳＴＫ＿ＳＩＺＥ—１］，１）；ＯＳＳｔａｒｔ０；）主程序中创建ｒｌｗｉｐ＿ｉｎｉｌ＿ｔａｓｋ初始化ＬｗＩＰ任务（优先级０）和ＵＳｒ—ｔａｓｋ用户任务（优先级１）。

１ｗｉｐ—ｉｎｉｔｔａｓｋ任务中除ｒ初始化硬件时钟和ＬｗｌＰ之外，迸创建ｒｔｃｐｉｐ—ｔｈｒｅａｄ（优先级５）和ｔｃｐｅｃｈｏ＿｜ｈｒｅａｄ（优先缀６）。

实际上ｔｃｐｉｐ—ｔｈｒｅａｄ才足ＬｗｌＰ的ｔ线程，多线程的ＢｅｒｋｌｅｙＡＰＩ也是基于这个线程实现的，Ｂ¨Ｉ：面的ｔｃｐｅｃｈｏ—ｔｈｒｅａｄ线程也要｛Ｒ靠ｔｃｐｉｐｊｈｒｅａｄ线程来与外抖通信，这样做的好处趄编程简单，结构清晰。

实用ＢｅｒｋｌｅｙＡＰＩ实现的ｔｃｐｅｃｈｏ—ｔｈｒｅａｄ足‘个ＴＣＰｅｃｈｏ服务器，啦听７号端口，编译运行后，用讲“ｉ地ｐｉ地址７（登录号端）命令町以看到７ＶＩｅｃｈｏ万方数据，ｓｅｒｖｅｒ的ｌＨＩ碌效果。

说明ＡＲＰ、ＩＣＭＰ、ＩＰ、ＴＣＰＩ办议都已止确运行。

３以太网工业智能控制器的应用最终实现了一种嵌入式【、毗以太网方案，该片案将以较高的性能价格比应用』。

Ｔ：业控制领域（以人刚工、№控制系统结构如图３所示）。

图３吼爪网。

：业控制系统图网３中以太网Ｔ业控制器便是基ｊ二ＡＲＭｆｆ，Ｊｊ：、Ｊｋ以太网智能控制器的产－ｕ｜实例，该设备不仅可以连结多个以太嘲Ｉ／Ｏ设备，还可以级连嵌入式以太网控制器。