嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的分析、移植与应用研究

摘要

嵌入式Internet是近几年迅速发展起来的一项新兴技术,而新的信息技术的产生、发展必将对教育技术产生深远的影响.随着Web技术的发展和应用,越来越多的网络通信设备甚至测试仪器都已经实现内置的嵌入式Web服务器.用户可以直接使用Web浏览器通过设备的以太网口来远程访问内置Web服务器的专用网页,从而实现对设备运行状态的观测和运行参数的配置等功能.因此,嵌入式系统在远程教育、高校实验室设备管理、各高校资源共享、实验数据回传等方面有着广阔的前景.而嵌入式操作系统是嵌入式系统中的关键技术,对于实现嵌入式Intefrnet应用至关重要. 本文正是在这样的背景下提出的.文章从嵌入式系统体系结构的角度出发,以通用操作系统理论为基础,对嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ进行了深入研究、剖析,并结合Web应用编写系统内核程序,给出了μC/OS-Ⅱ+LwIP的嵌入式Internet解决方案,从而组建了一个简单的嵌入式Webserver系统.通过远程访问该节点,可以显示一个含各种图片和超链接的HTML网页.本文实现的嵌入式Webserver采用的是任务的方式,即将移植后的LwIp协议栈设为μC/OS-Ⅱ的主任务,由主任务通过μC/OS-Ⅱ提供的信号量等通信机制获取驱动程序提交的数据,经处理后分发给各协议模块(即相关处理函数)处理.由于系统建立在内核高效的μC/OS-Ⅱ之上,因此具有良好的实时性能. 论文共分四部分:第一部分阐述了μC/OS-Ⅱ应用设计总体方案与开发平台的搭建,并阐述了嵌入式系统与教育信息化的密切关系,同时介绍了嵌入式系统的开发过程和调试方法,采用宿主机/目标机交叉编译方法并成功建立了开发的基本软件环境;第二部分详细论述了以ARM7TDMI处理器S3C4480为基础的系统硬件平台.ARM7TDMI是一种高效、低功耗的RISC处理器,以该内核为核心的S3C4480提供了丰富的内置部件,是一款高性价比和高性能的微控制器,非常适合做嵌入式产品开发.这里围绕S3C4480对其主要功能模块进行了电路设计,并对S3C4480的启动程序和地址空间分配作了详尽分析;第三部分对μC/OS-Ⅱ的体系结构与内核结构及内核运行方式进行了深入分析.同时着重分析了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的特点及其任务管理、任务通信、任务调度、中断和时钟等机制,并对相关移植工作的关键移植环节做了详细论述.这里的移植工作包括嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ在S3C4480上的移植以及LwIP协议栈在μC/OS-Ⅱ上的移植两大部分;第四部分则给出了嵌入式 Webserver在μC/OS-Ⅱ下的实现方法,对本系统的硬件与网络环境设置作了详尽说明.这里对嵌入式系统应用程序实际开发过程做了详尽阐述,给出了编译、连接、调试及下载烧录的具体方案,并对嵌入式 Webserver 网络环境进行了测试. 文章是建立在充分实践的基础上的,所作的具体工作如下: (1)通过对嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的深入剖析,给出将其移植到S3C4480的一种实现方法. (2)从简洁实用的角度出发,通过对lwip协议栈进行裁减,使之在μC/oas-Ⅱ操作系统中稳定运行,同时结合具体应用编写了网络驱动程序. (3)由于μCOS-Ⅱ作为实时操作系统并没有自己的文件系统,因此,在系统实现中给出了两种对HTML文件进行处理的方案. (4)在TCP/IP协议栈稳定运行的基础上,实现应用层的HTTP协议,能够在开发板上运行一个简单的Web Server,从而为下一步开发更复杂的应用系统提供一个良好的运行环境. 经过对嵌入式Web Server系统的测试证明,本文给出的解决方案是可行的,系统运行稳定.

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第一章绪论

1.1嵌入式系统综述

1.1.1什么是嵌入式系统

1.1.2嵌入式操作系统

1.1.3嵌入式系统发展的新领域——嵌入式Internet

1.2嵌入式系统与教育信息化

1.2.1教育信息化的概念

1.2.2嵌入式Internet在教育信息化中的作用

1.3论文的意义及主要工作

第二章EOS μC/OS-Ⅱ应用设计总体方案与开发平台的搭建

2.1 μC/OS-Ⅱ应用设计总体方案

2.2嵌入式系统开发要点

2.3系统的调试架构及开发平台的搭建

第三章系统的硬件平台

3.1 ARM处理器与S3C44B0

3.2硬件系统的设计及主要功能模块概述

3.2.1硬件系统的设计

3.2.2存储器接口电路

3.2.3输入输出接口

3.2.4以太网接口模块

3.2.5 RTC实时时钟

3.3 S3C44B0启动程序和地址空间分配

3.3.1系统初始化程序的设计

3.3.2 S3C44B0地址空间的分配

第四章EOS μC/OS-Ⅱ的分析及其在硬件平台上的移植

4.1嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ

4.2 μC/OS-Ⅱ的体系结构与内核结构

4.2.1 μC/OS-Ⅱ的体系结构

4.2.2 μC/OS-Ⅱ的内核结构

4.3 μC/OS-Ⅱ的任务管理和调度

4.3.1 μC/OS-Ⅱ的任务及其控制结构

4.3.2 μC/OS-Ⅱ的任务管理

4.3.3 μC/OS-Ⅱ的任务调度

4.4 μC/OS-Ⅱ的中断和时钟

4.4.1 μC/OS-Ⅱ的中断

4.4.2 μC/OS-Ⅱ的时钟

4.5 μC/OS-Ⅱ任务的同步与通信

4.5.1任务间同步与通信的概念

4.5.2 μC/OS-Ⅱ中的事件和事件控制块

4.5.3通信机制的实现

4.6 μC/OS-Ⅱ在S3C44B0上的移植

4.6.1 μC/OS-Ⅱ移植的概念及条件

4.6.2 μC/OS-Ⅱ在S3C44B0上的移植

第五章μC/OS-Ⅱ下TCP/IP协议栈的实现

5.1 μC/OS-Ⅱ+Lwip网络环境介绍

5.2嵌入式Internet中协议的选择及简化

5.3 Lwip的移植

5.3.1协议栈实现框架

5.3.2 Lwip移植中的主要问题

5.3.3网络设备驱动程序的实现

5.3.4 Lwip各协议的实现

第六章嵌入式Webserver在μC/OS-Ⅱ下的实现

6.1 HTTP协议的实现

6.1.1超文本传输协议HTTP

6.1.2 HTTP协议在嵌入式系统中的精简

6.1.3嵌入式HTTP服务器的通信原理

6.2嵌入式Web Server的实现

6.2.1嵌入式系统HTML文件的处理

6.2.2本系统嵌入式Web Server的软件设计

6.3嵌入式Webserver网络环境测试

6.3.1硬件与网络环境设置

6.3.2系统应用程序的编译、连接、调试及下载

6.3.3嵌入式Webserver网络环境测试

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2未来工作展望

参考文献

致谢

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