基于ARM7的串口服務器的實現

摘　要：文中提出了一種低成本、高性能的嵌入式串口服務器的硬軟件設計方案。該服務器以ARM7芯片LPC2210為核心控制器， 采用RTL8019以太網控制器處理網絡數據， TL16C554異步通信組件處理串口數據。對輕便TCP/ IP協議棧LW IP在μC/OS - Ⅱ實時操作系統中進行了移植， 并對16路串行通道設計了實時多任務方案， 使串口服務器能夠以TCP/UDP模式在網口和串口端進行雙向232 /485通信。實驗證明本服務器能使傳輸數據實時， 準確。

　　通過擴展多串口， 可以在PC端遠程監控、管理各種外設， 或對外設進行系統升級。通常串口服務器采用ARM9 微處理器和帶TCP / IP協議棧的付費操作系統， 而文中提出的串口服務器是通過移植LW IP協議棧到代碼開源的μC /OS - Ⅱ中實現， 這樣不但降低成本， 而且代碼的編寫更加透明、靈活。

　　1　硬件系統的設計

　　本串口服務器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，網絡控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片擴展。為得到更廣泛的應用， 串口端還擴展485 接口， 通過跳線選擇232 /485 方式。系統結構框圖， 如圖1所示。

　　圖1　系統結構框圖

　　2　軟件系統的實現

　　串口服務器軟件系統包括兩部分： TCP / IP協議棧的移植和實時多任務應用程序。μC /OS - Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1　TCP / IP協議棧的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等開發的源代碼開放的精簡TCP / IP 協議棧。目的是在于保證TCP協議完整的情況下減少系統資源的需求， 適合于資源較少的嵌入式系統應用。移植LW IP協議棧主要有兩部分代碼： (1)編寫操作系統模擬層相關代碼; (2) LW IP接口初始設置及網卡驅動。

　　2.1.1　操作系統模擬層相關代碼

　　操作系統模擬層存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之間提供一座橋梁， 使LW IP能與μC /OS - Ⅱ能以相同的規范存在于一個系統中并能相互通信。LW IP有信號量和郵箱兩種進程通訊方式， 而μC /OS - Ⅱ也提供這兩種進程通訊方式。

　　信號量用來同步任務， 操作函數有sys_new_sem (建立并返回一個新信號量) , sys_ sem _ signal(指定要發送的信號量) , sys_sem_free (指定要釋放的信號量) , sys_arch_sem_wait (等待由參數sem指定的信號量并阻塞線程) , 在這些函數體中進行數據結構的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相關函數便可完成。

　　郵箱用來投遞消息， LW IP允許將郵箱實現為一個隊列，多條消息投遞到這個郵箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了豐富的消息隊列函數， 且μC /OS - Ⅱ和LW IP投遞到郵箱中的消息均用指針實現。該系統建立了多個郵箱， 郵箱通過單向鏈表接在一起。接收消息的最大數量由消息數組決定， 結構圖如圖2所示。

　　圖2　郵箱數據結構圖

　　郵箱建好后用指針P_Mbox指向節點1, 申請新郵箱將節點1和節點2斷開， P_Mbox指向節點1的p stNext, 以此類推。回收時P_Mbox的移動方向與申請時相反， 這樣不會浪費內存且比較穩定。由以上結構和μC /OS - Ⅱ提供的函數寫出郵箱相關函數。

　　除此之外， 還需要編寫任務創建函數sys_thread_new和sys_arch_timeouts函數， 由于每個任務都有timeouts鏈表， sys_arch _timeouts函數返回的sys_timeouts結構保存了timeouts鏈表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化設置及底層驅動

　　LW IP的初始化設置包含在LW IP通信進程的入口函數中， 其入口函數LwipEntry的基本結構如下：

　　Void LwipEntry ( void 3 pvArg)

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的內存區，PCB ( TCP /UDP)以及OS模擬層各個方面

　　__ilvInitLwip ( ) ;

　　/ /設置LW IP, 包括添加配置網絡接口， 建立接受任務等工作

　　__ilvSetLwip ( ) ;

　　/ /在這里建立LW IP 的應用， 服務器支持TCP /UDP方式， 兩種方式都建立

　　}

　　底層驅動在服務器每次收發數據中都要調用，這部分代碼需要有良好的健壯性和穩定性。整個實現順序， 如圖3所示。

　　圖3　底層程序框架圖