1 引言
目前，嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中。从家用电器、信息终端、手持通信设备到仪器仪表、制造工业、过程控制等领域，嵌入式设备已随处可见。另一方面，近几年来Internet技术的飞速发展给嵌入式应用带来了新的契机，在未来嵌入式系统中应用Internet技术具有很大的优势。
目前嵌入式Internet技术的实现主要有下面三种方式 ：
第一种方式是EMIT技术，采用支持TCP/IP协议的高性能服务器作为网关（emGateway）, 嵌入式设备通过RS-232、RS-485或者CAN总线等与网关服务器连接，间接通过服务器网关连接Internet。经过多年的发展EMIT技术已经在工业设备的网络化中得到了广泛的应用。但该技术也存在着以下的缺点：由于需要使用高性能的网关服务器，再加上emGateway网关的使用需要缴纳相应的版税，从而使得成本很高；而且网关和设备之间需要专门布线，在嵌入式设备比较分散的情况下极为不便，通信的距离、速度都受到一定的限制。
第二种方式是采用硬件协议栈芯片进行网络连接，比如Seiko公司的S7600，嵌入式MCU通过接口对其进行控制以达到Internet通信的目的，这时软件只需要增加一段和协议栈芯片通信的接口程序即可，因此开发难度小、周期短。其缺点是系统的硬件成本非常高，而且由于使用的是硬件协议栈，扩展不灵活。
第三种方式是在嵌入式MCU上用软件实现TCP/IP协议栈，然后通过网络接口芯片连接Internet。在这种方式中由于使用了软件协议栈使得嵌入式MCU本身具有了Internet通信能力，从而省去了高性能网关和硬件协议栈芯片，因此成本非常低，而且扩展起来非常方便灵活，再配上小型嵌入式实时操作系统的支持，就可以实现性价比很高的嵌入式多任务Internet平台。但是要在资源有限的16位甚至8位 单片机 上实现复杂的操作系统和网络协议栈有一定难度，但近年来随着单片机处理速度的不断提高和内部资源的不断扩展，再加上小型的实时操作系统和网络协议栈的相继推出，使得利用单片机来实现低成本嵌入式多任务网络平台成为可能。
基于以上背景，本文就来介绍应用在研究课题“低码率视频信号的网络传输”系统中的一种基于AVR 单片机 的多任务嵌入式网络系统软硬件平台的设计。
2 硬件平台设计
考虑到以太网接入方式技术成熟、可靠性高、通信速度快和成本低的优点，本系统的硬件平台采用 单片机 加以太网接口控制芯片组成。由于操作系统和协议栈需要用到大量的数据存储器，因此需要外扩RAM存储器。为了提高通信性能，单片机与以太网接口芯片之间采用并行总线扩展方式进行连接，接口芯片和外部的RAM存储器统一编址。本系统采用了可编程GAL器件ATF16V8进行地址译码，这样不仅可以充分利用地址资源，而且只需要修改ATF16V8的源程序即可实现地址的改变，提高了系统的扩展能力。系统的硬件平台的原理框图如图1所示。
图1：硬件平台系统框图
单片机 选用高性能的AVR单片机ATmega128。AVR是ATMEL公司结合了成熟的51系列和PIC系列单片机的优点而推出的高性能8位单片机，具有以下特点 ：
性价比高： AVR 单片机 内部集成了8路10位的ADC、PWM、E2PROM、WDT、RTC等，具有了片上系统（SOC）的雏形，大幅度降低了系统的整体体积和成本。 速度快：AVR单片机采用了先进的RISC体系架构，大多数指令可以在一个时钟周期内完成，理论上速度可以达到1MIPS/MHz。而且具有只需要两个时钟周期的硬件乘法器。
接口丰富：AVR 单片机 除可以进行并行扩展外，还具有USART、SPI和I2C串行总线。
ISP&IAP：其内部的可擦写FLASH存储器不仅可以进行在线下载，而且具有片上的BOOT程序实现在应用可编程，真正实现同时读写操作。
开发方便：AVR是第一款真正为C语言开发设计的 单片机 ，具有多种编译器。而且具有JTAG接口，可以进行在线调试。
低功耗：AVR 单片机 具有六种睡眠模式，可以最大程度的降低系统的功耗。
以太网接口控制芯片采用ReaLTEk公司生产的以太网接口控制器RTL8019AS ，其10M处理能力对于本课题需要的码率为4Mbps视频流的网络传输来说完全满足要求。另外8019AS片内集成了16KByte的RAM用作发送和接收的缓冲区，对其访问可以使用远程DMA方式，从而大幅提高接口的通信能力。需要注意的是，由于ATmega128数据总线是8位，RTL8019AS的IOCS16B引脚应当下拉接地以选择8位总线方式，而且JP引脚要接高电平以选择跳线模式。
地址译码采用的是ATF16V8，具体是把MCU地址线的高8位作为16V8的译码输入，16V8的3位输出作为译码片选输出：低端RAM（32KB）、高端RAM（32KB）和8019AS的片选。由于8019AS的地址空间仅需要32Byte，而且与高端RAM的地址重叠，为了给RAM分配尽可能多的地址空间，为8019AS分配顶部的256Byte，而把剩余的地址空间全部分配给RAM。上述译码的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
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 。
