（计算机应用技术专业论文）医用嵌入式智能设备的研究与应用.pdf

摘要 随着计算机技术与网络技术的发展和普及，以单片机为核心的 小型嵌入式设备，已经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领 域得到了日益广泛的应用。为了实现远程数据采集、远程监控等功能， 网络化己成为新一代嵌入式系统发展的一个重要趋势。医院作为社会 的重要部门，更应是如此。研究嵌入式系统与i n t e r n e t 的接入方法， 具有重要的现实意义和经济价值。 本文介绍了目前医院临床吸氧计时的现状，设计开发出基于医 用中心供氧系统的自动吸氧计时器，着眼于嵌入式t c p i p 技术在以 太网中的应用，并给出了各模块的设计方案。吸氧计时器选用8 位单 片机s t c l 2 c 2 0 5 2 ，其中吸氧计时信号采集采用红外光电捕捉方式； 网络模块采用s t c 8 9 c 5 1 6 单片机芯片，以太网控制芯片选用r e a l t e k 公司1 0 m b p s 的r t l 8 0 1 9 a s 。硬件方面主要涉及单片机、红外收发器 件、以及以太网网络接口的设计；软件方面主要是吸氧计时器模块的 设计，网卡控制器驱动程序，uc 0 s i i 操作系统的移植和t c p i p 协议设计。 考虑到嵌入式系统的资源，本文在详尽的介绍了t c p i p 协议及 其报文格式后，对有些t c p i p 协议的功能进行了裁减，使之适应单 片机上网的需要。文中给出了系统的工作流程以及t c p i p 各个子模 块实现的流程图。详细介绍了在pc 0 s i i 操作系统基础上实现了网 络接口设备驱动、链路层协议、a r p 协议、i c m p 协议、i p 协议、u d p 协议，在此基础上实现吸氧计时器计时状态，累计计时数据等采用 t c p i p 实时远程数据传输。说明基于8 位单片机控制的小型嵌入式 设备联网是可行的，为将来实现远程数据采集、远程诊断、远程软件 升级等提供了依据，做到真正远程医疗。并为将来更多医疗自动化设 备网络化的开发提供一个好的平台。 关键词：吸氧计时器、uc o s i i 、嵌入式t c p i p a b s t r a c t a 1 0 n gw i t hd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n o fc o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 ya n dn e t w o r kt e c h n 0 1 0 9 y ， p o c k e te m b e d d e de q u i p m e n t w i t hs i n 9 1 e c h i pc o m p u t e rh a sa l r e a d ya p p l i e de x t e n s i v e l yi n i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ， o f f i c i a la u t o m a t i o na n db u i1 d i n g a u t o m a ti o ne t c t or e a liz et h e 1 0 n g d is t a n c e d a t a c 0 11e c t e d ，c o n t r 0 1a n ds oo n ，t h en e t w o r kh a sb e c o m eat r e n do f t h ed e v e l o p m e n to fn e wg e n e r a ti o ne 加b e d d e ds y s t e m a st h e i m p o r t a n td e p a r t m e n t ，h o s p i t a ls h o u l db et o o i th a si m p o r t a n t r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u et or e s e a r c ht h e c o n n e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n di n t e r n e t t h i s p a p e r d e s c r i b e st h ec u r r e n th o s p i t a l o x y g e n i n h a l a t i o nt i m eo ft h es t a t u sq u o ，d e v e l o p e sad e s i g nb a s e d o nt h em e d i c a lc e n t e r so x y g e ns u p p l ys y s t e ma u t o m a t i c a ll y o x y g e nt i m e r ，f o c u s o ne m b e d d e dt c p i pt e c h n o l o g yi nt h e a p p li c a t i o n o fe t h e r n e t o x y g e n t i m e rs e l e c t s8 一b i t m i c r o c o n t r o l l e r ss t c l 2 c 2 0 5 2 ，o fw h i c ho x y g e nt i m es i g n a l a c q u i s i t i o nu s e si n f r a r e dp h o t o e l e c t r i cc a p t u r e ； n e t w o r k m o d u l eu s e st h es t c 8 9 c 5 1 6m i c r o c o n t r o l1 e rc h i p s ： r e a l t e k e t h e r n e tc h i pc h o o s et h el om b p sr t l 8 0 1 9 a s h a r d w a r em a i n l y i n v 0 1 v e si ns c m ，i n f r a r e dt r a n s c e i v e rd e v i c e s ，a n de t h e r n e t n e t w o r ki n t e r f a c ed e s i g n ，s o f t w a r e i sm a i n l yo x y g e nt i m e r m o d u l e ，r t l 8 0 1 9 a s sd r i v e r ，t h et r a n s p l a n to ft h e uc o s i i o p e r a t i n gs y s t e ma n dt c p i pp r o t o c o ld e s i g n t a k i n g t h er e s o u r c e so ft h ee m b e d d e ds y s t e m si n t o + a c c o u n t ，a f t e rt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e t c p i pp r o t o c o la n d m e s s a g ef o r m a t ， s o m et c p i pp r o t o c 0 1f u n c ti o n sa r er e d u c e ds o a st oa d a p tt ot h en e e d so fs c mi n t e r n e t i nt h i sp a p e r ，t h e i i s v s t e m sw o r k f l o wa n dt c p i pv a r i o u sm o d u l e si nf l o wc h a r t s a r eo f f e r e d 0 nt h eb a s i so ft h euc o s iio p e r a ti n gs y s t e mi t r e a l i z e san e t w o r ki n t e r f a c ed e v i c ed r i v e r s ， t h e1 i n k1 a y e r p r o t o c o l ，a r p ， i c m p ，i p ， u d p u s i n gt c p i pr e a l t i m er e m o t e o x y g e nt i m e rt i m e s t a t u sa n d t h ea c c u m u l a t e d t i m ed a t a t r a n s m i s s i o n t h en o t eb a s e do n8 一b i tm i c r o c o n t r 0 1 1 e r st h e c o n t r 0 1o fs m a l1e m b e d d e dd e v i c en e t w o r k i n gi sf e a s i b l e ，a n d f o r t h ef u t u r ep r o v i d eab a s i st or e a li z et h er e m o t e d a t a c 0 1 1 e c t i o n ， r e m o t ed i a g n o s i s ， r e m o t es o f t w a r eu p g r a d e s ， a c h i v i n gt r u l yt e l e m e d i c i n e i nt h ef u t u r ep r o v i d eag o o d p l a t f o r mf o rd e v e l o p i n gm o r em e d i c a la u t o m a t i o ne q u i p m e n to f t h en e t w o r k k e yw o r d s ： o x y g e nt i m e r ； uc o s i i ； e m b e d d e dt c p i p i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多，烬7训沪年l 月，。日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大 学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：垄妈f 导师签名：扬彳l 日期：州4 年，矿月fl 日 日期：夕占年，二月f - 日 医用嵌入式智能设备的研究与应用 1 1 医用智能设备概况 1 绪论 随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机硬件、软件的开发、 应用和维护成为社会各行业工作的重要组成部分。当然，医院作为 社会的重要部门，医院办公的智能化、信息化、网络化也已实现。 由于智能化医院功能复杂，科技含量高，它的设计涉及到建筑学、 护理学、卫生学、生物学工程学等科学领域，智能医院通常包含若 干弱电系统、信息通信、广播设备监控、公共安全管理、综合布线、 办公自动化、系统集成等。本文仅对弱电系统、信息通信设计方案 部分进行阐述和研究。 目前在普通医院中也出现了很多医用智能化设备，从过去的人 工自觉排队挂号，到现在的智能排队挂号系统；从过去的人工看护 输液，到现在的自动输液报警器：从过去单个病房的人工值守，到 现在的病房呼叫系统等弱电系统设备。但是在临床护理工作中，吸 氧计时还是采用传统人工计时方式。 传统人工计时方式，即当病人需要吸氧时，护士按照吸氧操作 常规在吸氧记录本上记录开始和停止吸氧的时间。然而，有的病人 需要长期吸氧，有的则需要间歇吸氧，护士在记录吸氧时间上很难 做到准确无误，病人常因为吸氧收费问题与护士发生纠纷，如：医 嘱为l o 小时持续吸氧，但患者随病情好转在用餐、喝水、入厕等情 况下吸氧时有间断，现临床微机收费系统却根据医嘱自动收取病人 l o 小时的氧气费，无法精确计算以上情况的吸氧间断时间，造成患 者不满，要求退费，给临床护理工作带来许多麻烦。也使吸氧收费 无法达到准确无误，造成了该项收费存在多收、少收、漏收的情况， 从而造成不和谐的医患纠纷。 通过对湖南省旺旺医院等医院的实地调研，切实了解医护人员 在这方面的难处及需要，开始着手吸氧计时器的设计。 硕士学位论文 1 2 嵌入式系统发展趋势 i n t e r n e t 技术的发展，促进了嵌入式网络设备和产品的市场 需求，使这些设备和产品与i n t e r n e t 相连成为趋势，i n t e r n e t 技术 将深入到日常生活和工作所用到的电子设备中，目前市场的发展趋 势是将这些局域网需要通过企业内联网或外联网特别是互联网与外 界连接。现今的嵌入式系统一般都要连接到局域网，这样就有数十、 甚至上百个控制器连接在一起。举例说，汽车制造和工业控制领域 中的c a n 有上百个微控制器在相互作用；z i g b e e 无线控制网络也有 若干多数量的微控制器互连在一起。而且，随着嵌入式网络越来越 复杂( 因此需要更大的网络带宽和更远的传输距离) ，嵌入式以太 网也开始涉足于工业控制n 儿2 引、建筑物自动化、医疗和保安产品市 场。 嵌入式系统联网要求的不断增加，导致微控制器必须具备更多 性能：更强的互连性，增加程序和数据内存空间来支持相应的通信 协议，提高性能和处理带宽以进行系统传输数据、执行通信协议和 提供严密的保安能力。在需要通过内联网或互联网监控c a n 或 z i g b e e 网络的应用环境中，嵌入式微控制器必须能支持l o 1 0 0 m 以 太网、c a n 、z i g b e e 网络以及其他网络协议，更必须具有先进的安 全加密算法。由于微控制器芯片品种达数百种，这些微控制器的硬 件结构和指令系统各不相同，因此，不能象p c 机那样通过标准的硬 件接口和接口软件直接接入i n t e r n e t 。如何以很低的成本将各类智 能装置与i n t e r n e t 连接起来，以便人们能够远程获得这些电子设备 的信息并控制它们的运行，己成为今天信息界关注的焦点n 副。 1 3 嵌入式t c p ip 协议特点 t c p i p 通讯协议是当前计算机网络通用性标准协议，具备传输 速度快，国际标准，兼容性好等优点，它支持几乎所有流行的网络 协议。但是传统的t c p i p 协议实现在实时性方面做得不够好，把大 医用嵌入式智能设备的研究与应用 量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控制上1 ，在实 时性要求比较高的嵌入式领域，传统的t c p i p 协议并不能满足实时 性要求；另外传统t c p i p 协议的实现过于复杂，需占用大量系统资 源，而嵌入式系统对资源，成本非常敏感，应用的系统资源往往都 很有限，这意味着我们需要精简传统的t c p i p 协议。嵌入式t c p i p 协议与传统的t c p i p 协议的区别具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 可裁剪性。由于嵌入式应用的要求千差万别，各种嵌入式 应用对系统的要求不尽相同，并且在嵌入式应用中对产品的成本、 价格比较敏感，存储器的容量往往都是比较有限的，因此必须根据 嵌入式网络产品的具体功能，对完整的t c p i p 协议栈功能进行裁剪， 特别是对应用协议提供可裁剪性，以满足用户的需求。 ( 2 ) 可移植性。由嵌入式应用的多样性决定了嵌入式应用平台 也是变化多端的。因此，在我们开发网络协议栈软件的过程中，保 证软件的可移植性是非常重要的。这样，在对嵌入式产品进行软、 硬件升级的过程中除了与硬件直接相关的部分代码需要重新编写以 外，不必再对上层协议进行大的修改。 ( 3 ) 代码精简。嵌入式t c p i p 协议栈是标准t c p i p 协议栈的 子集，只需要实现基本的、必要的功能，使生成的二进制代码尽量 精简，这对嵌入式网络产品降低开发难度、提高系统处理能力、节 省有限的r o m 和r a m 空间是有着重要的意义的。嵌入式t c p i p 协议 栈的这些特点也将成为本课题研究工作的目标与要求之一。 嵌入式系统中t c p i p 协议栈的实现从大的方面可以分为硬件实 现和软件实现两种。硬件实现是采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片， 通过外部硬件电路处理t c p i p 协议h 3 ，用网络芯片实现t c p i p ，形成 独立于各种微处理器的专用芯片，直接用作网络接口。目前市面上已 有这种结构的芯片出售，如韩国w i z n e t 公司生产的全硬接线式( f u l l h a r d w i r e d ) t c p i p 芯片w 3 l o o a ，美国s e i k o i n s t r u m e n t s 公司生产的 s 7 6 0 0 ，u b i c o m 芯片和n e t s i1 i c o n 芯片等。这类芯片具有速度快，使 用方便的特点。但对于现在很多只实现简单应用的嵌入式设备来说， 采用这种芯片对整个系统的成本来说太昂贵。目前的t c p i p 协议处理 硕士学位论文 还主要是基于软件处理的方式。 而软件实现t c p i p 协议栈又可分为有实时嵌入式操作系统r t o s 支持的实现方式和无r t o s 支持的实现方式两种。操作系统能基于其上 的程序设计提供一个强大、统一的平台，如任务调度、硬件管理、内 存分配等底层操作由操作系统内部完成。基于多任务操作系统编写协 议栈的时候无需过多的考虑，可以很容易的实现多任务管理和并行处 理。虽然嵌入操作系统需要一定的内存资源，对于普通8 位c p u 来说需 外接扩展内存，但是相对成本不大。因此，本课题设计采用软件方式 中的带有嵌入式操作系统支持的实现方式。 1 4 课题研究内容与意义 本课题以s t c l 2 c 2 0 5 2 单片机为核心处理器实现吸氧计时自动化， 为提高医院科学管理形象和诚信度，解决吸氧收费的不科学、不准确 问题，杜绝因吸氧收费引起的医疗纠纷，构建和谐的医患关系提供了 硬件实现。 以s t c 8 9 c 5 1 6 单片机为核心实现网络功能，并在此嵌入式系统中 移植“c o s ii 嵌入式操作系统，实现嵌入式t c p i p 。在嵌入式操作 系统uc o s i i 和网络接口设备驱动的基础上，对t c p i p 协议进行改 写、裁减，使其具有以太网通信所需最基本的功能。实现对病房多个 吸氧计时器工作状态，计时时间等数据的t c p i p 网络传输，为将来实 现远程数据采集、远程诊断、远程软件升级等提供了依据，做到真正 远程医疗。并为将来更多医疗自动化设备网络化的开发提供一个好的 平台。 1 5 本文的结构安排 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 第一章介绍了本课题的研究内容，了解国内外吸氧计时方式现 状，嵌入式系统的发展方向，并对研究内容和研究方法进行简单的介 绍。 4 医用嵌入式智能设备的研究与应用 第二章研究uc 0 s i i 的移植条件，利用k e i lc 5 1 集成开发环 境，实现在s t c 8 9 c 5 1 6 上移植了uc o s i i 。 第三章研究了t c p i p 各层协议的工作原理并在uc o s i i 操作 系统的基础上实现t c p i p 协议。 第四章给出了系统的详细软硬件设计，研究了网络控制芯片 r t l 8 0 1 9 a s 各个寄存器功能，r t l 8 0 1 9 a s 数据包的发送、接收和基于8 位单片机实现了r t l 8 0 1 9 a s 驱动程序。详细介绍吸氧计时器的实现， 并把本文设计的t c p i p 协议网络模块应用到基于用医院网络的吸氧 计时器中，实现吸氧计时器数据的网络传输。 硕士学位论文 2 1 移植平台介绍 2 嵌入式操作系统的移植 本设计以s t c 8 9 c 51 6 单片机为核心实现网络功能，并在此嵌入 式系统中移植嵌入式操作系统，在嵌入式操作系统和网络接口设备 驱动的基础上，对t c p i p 协议进行改写、裁减，使其具有以太网通 信所需最基本的功能。为实现对病房多个智能设备的工作状态、计 时时间等数据的t c p i p 网络传输( 如图2 一l 所示) ，需在网络监控 模块嵌入操作系统完成多任务。系统详细硬件设计见本文第四章。 图2 1 系统基本结构框图 2 2 选择uc 0 s i l 嵌入式操作系统的理由 传统的单片机系统在程序设计上一般采用的是前后台方式。应用 程序是一个无限的循环，一个大循环，循环中调用相应的函数完成相 应的操作，这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异常事件， 这部分可以看成前台行为。后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。 事件相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。中断服务虽 然能即时优先响应，但是它们和主循环的通讯，也是通过置主循环 中相应的标志位来完成的。所以这种系统在处理信息的及时性上，比 实际可以做到的要差。 6 医用嵌入式智能设备的研究与应用 对于简单的应用，这种前后台方式是可以满足需求的，但是随着 应用的复杂化，系统可能要同时监测控制多个外部设备( 如本设计 中一个网络模块要监控一个病房当中的多个设备) ，要求较高的实时 性。有多个任务要处理毒如果在系统软件设计上仍然采用上述的传统 方式，就会出现两个比较突出的问题。一是中断响应，一般为了保证 某一项重要任务的实时性。就必须在i s r 中进行较为复杂的处理，这 样一来就要考虑代码重入、系统硬件堆栈溢出等问题。二是任务多， 要考虑的各种可能性也多，各种资源调度不当就会造成共享数据的不 一致，降低系统的可靠性，同时程序量也加大。解决这些问题的最好 方法就是使用嵌入式实时操作系统r t o s 。使用r t o s 可以有效的对多个 任务进行调度陋1 ，对各任务赋予不同的优先级可以保证紧急任务得到 及肘响应。r t o s 也体现了一种新的应用程序设计思想和开放的框架， 降低了程序的复杂度和开发周期。现在市场已经出现了不少的嵌入式 实时操作系统如v x w o r k s ，p s o s ，n u c l e u sp l u s ，v r t x s a ，u c l i n u x 等 等。但这些操作系统大多对系统硬件配置有较高的要求，如要有运行 速度快的3 2 位处理器、处理器内部要有内存管理单元( m e ) 、较大容量 的r o m 和r a m 空间等；同时操作系统自身和相应配套的开发调试工具价 格较高，而且许多r t o s 厂商要求用户在批量生产时要按产品数量交纳 版税，所以对干中小型系统特别是采用8 位微处理器的系统来说这些 操作系统都是不适合的凹1 。 本课题采用的是由j e a nj l a b r o s s e 编写的开放式实时操作系统 “c 0 s i i 。主要是基于以下的考虑n 训： ( 1 ) 它的源代码是公开的，并且仍在不断的升级，增加新功能。 源代码的开放可以使得用户根据实际要求对源代码进行取舍，去掉不 必要的变量和不使用的函数，提高系统性能。另外，由于对系统内核 有源代码级的了解，用户可以添加自己的模块，与原有系统内核兼容， 使得系统具有可扩展性。 ( 2 ) 绝大部分pc o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。 和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分 已经压到最低限度，使得nc 0 s i i 便于移植到其他微处理器上。如 7 硕士学f 节论文 同uc o s 一样，uc o s i i 可以移植到许许多多微处理器上n 。条件 是，只要该微处理器有堆栈指针，由c p u 内部寄存器入栈、出栈指令。 另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编( i n l i n ea s s e m b l y ) 或者该 c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序 中实现。pc o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处 理器、微控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 ( 3 ) 可裁剪( s c a l a b l e ) 。可以只使用uc o s i i 中应用程序需 要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使用很少几个uc 0 s i i 调用，而另一个产品则使用了几乎所有uc o s i i 的功能。这样可以 减少产品中的uc o s ii 所需的存储空间( r a m 和r o m ) ，这种可裁剪 性是靠条件编译实现的。只要在用户的应用程序中( 用# d e f i n e c o n s t a n t s 语句) 定义哪些uc o s i i 中的功能是应用程序需要的就 可以了。程序和数据两部分的存储用量已被最大努力的压低了。 ( 4 ) 系统内核实用性强、可靠性高。从最老版本的uc o s ，以及 后来的uc 0 s ，到最新版本的uc 0 s i i ，该实时内核已经走过了l o 多年的历程。世界上各个领域使用了该实时内核，如医疗器械、网络 设备、自动提款机、工业机器人等等。这些应用的实践是该内核实用 性、无误性的最好证明。 ( 5 ) 支持多任务抢占式。uc 0 s i i 可以管理6 4 个任务，目前这 一版本保留8 个给系统，应用程序最多可以有5 6 个任务。赋予每个任 务的优先级必须是不同的，uc 0 s i i 总是运行就绪条件下优先级最 高的任务。 ( 6 ) 中断管理。中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先 级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出 后立即执行，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 ( 7 ) 可确定性。全部uc o s i i 的函数调用与服务的执行时间具 有其可确定性。也就是说，全部的函数调用与服务的执行时间是可知 的。进而言之，uc o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任 务的多少。 医用嵌入式智能设备的研究与应用 2 3uc 0 s i l 在s t c 8 9 c 5 1 6 处理器上的移植 2 3 1uc 0 s i i 的移植条件 移植uc 0 s i i 的主要工作就是处理器和编译器相关代码n 引。 以下是uc o s i i 的移植需要满足的要求： ( 1 ) 处理器的c 编译器可以产生可重入代码： ( 2 ) 可以使用c 调用进入和退出c r i t i c a lc o d e ( 临界区代码) ； ( 3 ) 处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源； ( 4 ) 处理器需要能够容纳一定数据的硬件堆栈； ( 5 ) 处理器需要有能够在c p u 寄存器与内存和堆栈交换数据的 指令。 根据以上移植要求，本课题选用宏晶科技公司的s t c 8 9 c 5 1 6 处理 器芯片，其具有一个5 l 系列单片机的内核还具有6 4 k 并行可编程的非 易失性f l a s h 程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程( i s p ) 和在 应用中编程( i a p ) 。在系统编程( i s p ：i n s y s t e mp r o g r 锄mi n g ) ：当 m c u 安装在用户板上时允许用户下载新的代码。在应用中编程( i a p ： i n a p p l i c a t i o np r o g r 锄m i n g ) ：m c u 可以在系统中获取新代码并对 自己重新编程。这种方法允许通过调制解调器连接进行远程编程。片 内r o m 中固化的默认的加载程序( b o o tl o a d e r ) 允许i s p 通过u a r t 将程 序代码装入f 1 a s h 存储器，而f 1 a s h 代码中则不需要加载程序。对于 i a p 。用户程序擦除和重编程f l a s hm e m o r y 的操作是通过使用片内r o m 中的标准程序来完成。该器件的1 个机器周期由6 个时钟周期组成，因 此运行速度是传统8 0 c 5 1 的2 倍。该系列单片机是8 0 c 5 l 微控制器的派 生器件，是采用先进c m o s 工艺制造的8 位微控制器，指令系统与8 0 c 5 l 完全相同。它有4 组8 位i o 口，3 个1 6 位定时计数器，多个中断源4 个中断优先级，嵌套中断结构，1 个增强型u a r t ，片内振荡器及时序 电路。s t c 8 9 c 5 1 6 微处理器使用高速的8 0 c 5 l 作为内核，其资源和i s p 的功能使得它很适合用来做pc o s i i 的移植调试。并不需要购买仿 真器和编程器等额外投资。所以我使用s t c 8 9 c 5 1 6 n 3 1 作为本课题的移 9 硕士学位论文 植平台。 而由于uc o s i i 绝大部分代码是用标准的c 语言编写的，所以c 语言开发工具对于“c o s i i 是必不可少的。在单片机开发应用中， k e i lc 5 l 集成开发环境是我们常用的开发工具，该开发工具有c 编译 器n 引，汇编器和链接定位器等工具构成。链接器用来将不同模块( 编 译过或汇编过的文件) 链接成目标文件，定位器则允许将代码和数据 放置在目标处理器的指定内存中。k e i lc 5 l 还可以生成h e x 格式的编 程文件用于编程e p r o m 或是f l a s h ，同时可以实现完整软件仿真支持。 由于uc o s i i 是一个可抢占式的多任务内核，所以要求c 编译器可以 产生可重入型代码。但是正常情况下k e i lc 5 1 编译器中的函数不能重 入。原因是由于8 0 5 l 系列微控制器的硬件堆栈很小，硬件堆栈指针s p 最多只能在内部2 5 6 字节的r a m 内移动，不能够指向6 4 k 的外部r a m 空 间。所以编译器使用固定的r a m 地址来存储函数的参数和局部变量， 而不是使用堆栈来存储。为了在k e i lc 5 1 中实现可重入函数，可以使 用“r e e n t r a n t 关键字声明该函数是可重入的。编译器可根据编译 模式为可重入函数在内部r a m 或外部r a m 空间开辟一个模拟堆栈来存 储可重入函数的参数和局部变量。可重入函数的返回地址仍然保存在 硬件堆栈中。c x 5 l 编译手册不推荐使用模拟堆栈，原因是受8 0 5 l 寻址 方式的限制，模拟堆栈访问的效率很低。但是这是在k e i lc 5 1 中实现 可重入函数的唯一方法。可重入函数模拟堆栈拥有独立于硬件堆栈指 针的模拟堆栈指针。模拟堆栈及其指针在启动代码文件 “s t a r t u p a 5 l ”中定义和初始化。通过设置编译控制选项，它完全 可以满足编译uc o s i i 源代码的要求。 2 3 2uc 0 s i l 的系统结构及相关部分代码移植 uc 0 s i i 的软件系统结构框图如图2 2 所示： 医用嵌入式智能设备的研究与应用 u c o s i i 与处理器无关代码 o sc o r e co sf l a g c o sm b o x co sm e m 。c o sq co ss e m c o st a s k co st i m e c u c o s 2 cu c o s 2 h iu c o s - i i 移植( 与处理器相关代码)i l o sc p u ho sc p ua a s mo sc p uc c i 至三固 困 图2 2u c 0 s i i 的系统结构框图 由图2 2 可以看出，由于uc o s i i 自生的绝大部分代码是使用 a n s ic 编写的，而且代码的层次结构十分干净，其中大部分代码都与 处理器无关( u c o s _ i i h 和u c o s - i i c ) ，其中u c o s _ i i c 文件包含以 下文件：o sc o r e c ，o st a s k c ，0 st i m e c ，o ss e m c ，0 sm b o x c ， o s - m u t e x c 和o s f l a g c 也就是说原则上这些文件可以直接添加不 用修改。但是由于k e 订c 5 l 编译器的特殊性，这些代码仍需多处改动， 因为k e 订c 5 1 缺省情况下编译的代码不可重入而多任务系统要求并 发操作导致重入，所以要在每个c 函数及其声明后标注r e e n t r a n t 关 键字，另外“p d a t a 和“d a t a 在u c o s 中用做一些函数的形参， 但它同时又是k e i lc 5 1 的关键字，会导致编译错误。我通过把 “p d a t a ”改成“p p d a t a ，“d a t a ”改成“d d a t a 解决了此问题。 另夕| 、， o s t c b c u r 、0 s t c b h i g h r d y 、o s r u n n i n g 、0 s p r i o c u r 、 o s p r i o h i g h r d y 这几个变量在汇编程序中用到了，为了使用寄存器r o 或rl 访问而不用d p t r ，应该用k e i lc 51 扩展关键字i d a t a 将它们定义 在内部r a m 中。与平台相关的移植代码仅仅存在于0 s - c p u _ a a s m 、 o s - c p u _ c c 以及o s - c p u h 这三个文件当中。下面分别解释各个文件在 s t c 8 9 c 51 6 上的移植。 1 0 sc p u h 的移植 o sc p u h 包括了用# d e f i n e 语句定义的、与处理器相关的常数、 宏及类型。因为不同的处理器有不同的字长，所以uc o s i i 的移植 硕士学位论文 包括一系列的数据类型定义，以确保其可移植性。uc o s ii 代码不 使用语言中的s h o r t ，i n t ，及l o n g 等数据类型，因为它们是与编译器 相关的，是不可移植的。参考c x 5 l 编译手册，可以完成0 s - c p u h 里所 有数据类型的定义。 与所有的实时内核一样，uc o s i i 需要先关中断，再处置临界 段代码，并且在处置完毕后重新开中断。这样可以保护临界段代码免 受多任务或中断服务子程序的破坏。为了隐藏不同编译器提供的不同 的关中断和开中断的实现方法，增强可移植性，uc 0 s i i 在0 s - c p u h 中定义了两个宏来实现开中断和关中断：o s e n t e r c r i t i c a l ( ) 和 o s e x i t _ c r i t i c a l ( ) 。根据s t c 8 9 c 5 1 6 的结构和k e i lc 5 l 提供的方法， 我们通过置位或清零中断允许位来实现。因为s t c 8 9 c 5 1 6 没有软中断 指令所以用程序调用代替，在用汇编语言编写的0 s c t x s w ( ) 中，模拟 系统产生中断时的堆栈操作，以保证系统任务的正确切换。代码如下： t y p e d e fu n s i g n e dc h a rb 0 0 l e a n ；注意：不要使用b i t 定义， 因为b i t 类型为c 5 l 特有，不能用在结构体里。 t y p e d e fu n si g n e dc h a ri n t 8 ； t y p e d e fs i g n e dc h a ri n t 8 s ； t y p e d e fu n s i g n e ds h o r ti n t l 6 u ； t y p e d e fsi g n e ds h o r ti n t l 6 s ； t y p e d e fu n s i g n e di n ti n t 3 2 u ； t y p e d e fs i g n e di n ti n t 3 2 s ； t y p e d e fu n s i g n e dc h a ro s s t k ；堆栈的宽度为8 位 # d e f i n eo s e n t e r c r i t i c a l ( ) e a = ”o ；进入临界区 # d e f i n e0 s e x i t c r i t i c a l ( ) e a = ”l ”；退出临界区 # d e f i n eo s s t k r o w t ho ； 堆栈从下往上增长( 1 向下o 向上) # d e f i n eo s t a s k w ( )o s c t x s w ( ) ； 2 o sc p uc c 的移植 uc o s i i 的移植要求用户在0 s - c p u - c c 中编写1 0 个简单的c 函 数。但唯一必要的是o s t a s k s t k i n i t ( ) ，其他九个必须声明，但不一 医用嵌入式智能设备的研究与应用 定要任何程序代码。 o s t a s k s t k i n i t ( ) 是在系统创建任务时用来初始化任务堆栈的， 使堆栈看起来就象中断刚发生一样，所有寄存器都保存在堆栈中。由 于s t c 8 9 c 5 1 6 硬件堆栈很小，最多只能有在内部r a m 空间的2 5 6 字节。 因此很难将所有任务的堆栈都用硬件堆栈来实现。为了解决这个问 题，我们为每个任务在外部r a m 空间都分配一段连续的存储区，用来 模拟每个任务的堆栈。 莫拟栈 b 矗 地址 可重入函麴 模拟栈 i ( c p _ 卜 士 0 b o 咐 ? xc p 低 ? xc p 高 b s 蛾 矗 有效长度 专 有效长度低地址 任务模拟栈 系统硬件堆栈 图2 - 3s t c 8 9 c 5 1 6 移植岖、o s i i 的堆栈结构 在pc o s i i 进行任务切换时，首先将s t c 8 9 c 5 1 6 硬件堆栈中的内 容复制到要失去c p u 拥有权的任务的外部模拟堆栈区，然后将要得到 c p u 拥有权的任务的外部模拟堆栈中的有效数据复制到s t c 8 9 c 5 1 6 的 硬件堆栈中。这样就实现了任务保护和切换。任务模拟堆栈和硬件的 堆栈结构如图2 3 所示。t c b 结构体中o s t c b s t k p t r 总是指向用户堆 栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆 栈映像，即：任务模拟堆栈空间大小= 系统硬件堆栈空间大小+ l 。s p 总 是先加l 再存数据，因此s p 初始时指向系统堆栈起始地址( o s s t a c k ) 减1 处( o s s t k s t a r t ) 。很明显系统硬件堆栈存储空间大小 = s p o s s t k s t a r t 。编写o s t a s k s t k i n i t ( ) 主要完成用户堆栈初始化， 从下向上依次保存用户堆栈长度，p c l ，p c h ，p s w ，a c c ，b ，d p l ，d p h ， 硕士学位论文 r 0 ，r l ，r 2 ，r 3 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 7 。不保存s p ，任务切换时根据用户 堆栈长度计算得出。紧接着的两字节保存可重入函数仿真堆栈的指针 x _ c p 的高8 位和低8 位，初始化为任务模拟栈的最高地址的高8 位和低8 位。o s t a s k s t k i n i t ( ) 总是返回任务模拟栈的最低地址。 函数o s t a s k s t k i n i t ( ) 程序清单如下： v o i d 木o s t a s k s t k i n i t ( v o i d ( 木t a s k ) ( v o i d 水p d ) ，v o i d 木p p d a t a ，v o i d 木p t o s ， i n t l 6 uo p t )r e e n t r a n t 生 0 s s t k 术s t k ； p p d a t a = p p d a t a ； o p t = o p t ：o p t 没被用到，保留此语句防止告警产 s t k = ( o s s t k 木) p t o s ；用户堆栈最低有效地址 木s t k + + = 1 5 ；用户堆栈长度 木s t k + + = ( i n t1 6 u ) t a s k & o x f f ；任务地址低8 位 木s t k + + = ( i n t l 6 u ) t a s k 8 ：任务地址高8 位 水s t k + + = o x o o ：p s w ：i c s t k + + = 0 x 0 a ；a c c 木s t k + + = 0 x o b ：b 木s t k + + = 0 x o o ：d p l 木s t k + + = o x 0 0 ；d p h ：l c s t k + + = 0 x 0 0 ：r 0 木s t k + + = o x o l ：r