基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA总体结构设计与实现

摘要：叙述了基于uC/OS-Ⅱ的一款网络PDA的总体结构设计，阐述了本PDA的软件设计，包括实时操作系统uC/OS-Ⅱ、开源TCP/IP协议栈LWIP的选择、移植以及一些功能模块的设计实现。本PDA系统的设计、开发，为以后嵌入式系统应用开发积累了丰富的经验。

关键词：PDA；uC/OS-Ⅱ；结构设计；网络支持；TCP/IP；软件设计；移植

PDA是PersonalDigitalAssistant的缩写。对于早期的PDA我们可以称其为电子记事本，其功能较为单一，主要是管理个人信息，如通讯录、记事、日程安排、便笺、计算器、录音和辞典等功能。现在的PDA已经脱离了原有记事本的束缚，开始向电脑、智能手持设备靠近。PDA与Internet的互连有着广阔的应用前景，为此，我们研发了具有Internet接入功能的PDA。

基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA硬件设计

如图1所示，基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA硬件设计需要实现以下几个功能模块的连接。

图1 基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA硬件功能模块的连接框图

CPU的选择——S3C44B0X
在本PDA的硬件设计中采用的是三星公司专为手持设备提供的高性价比、高性能的一款微处理器——S3C44B0X，它是ARM7TDMI核，晶振频率66MHz，芯片上还集成了8KBCache、LCD控制器、4个DMA通道、2通道UART、5通道PWM定时器、1个内部定时器、71个通用I/O口、实时时钟、8通道12位ADC等，使系统费用降至最低，消除了增加附加配
置的需要。

存储器
S3C44B0X分为8个Bank(Bank0-7)，IO口地址和存储器地址空间统一编址，每个Bank可达32MB，总共可达256MB。在本次PDA的硬件设计中，系统1MB的线性Flash与处理器的Bank0相连接，存储的是系统初始化程序。此程序负责：管理处理器的中断服务程序；初始化硬件平台；进行系统自动检测；设置系统，然后负责把存储在16MB非线性Flash(与Bank1相连接)中system.bin复制到8MBSDRAM(与Bank6相连接)中0xC080000开始的地址空间，最后，把PC指针指向0xC080000，开始运行。

接口
根据应用需求，在本次PDA的硬件设计中提供了以下接口：

①通信及网络接口
●串行接口——两个独立的异步串行I/O口，皆可运行于中断/DMA模式。
●USB接口——通过USB节点控制器(US2BN9603)扩展出一个USB设备接口。
●以太网接口——提供一个10Mb/s的以太网控制接口(RTL8019AS)。

②人机交互接口
●LCD——采用320*240分辨率液晶显示屏。
●键盘——通过S3C44B0X的rPDATC(低四位)和RPdate(4～7位)扩展出4*4的键盘。
●触摸屏——采用ADS7843作为触摸屏的A/D转换接口。

电源
S3C44B0X有四种电源控制模式：正常模式、低能模式、休眠模式和停止模式，这几种模式的合理使用可以显著降低CPU的功耗，有效节电。

基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA软件设计

PDA的软件架构的上层是应用编程接口和应用程序(记事本、计算器、网络浏览器等)，下层则是实时嵌入式操作系统和硬件驱动程序。在整个系统中软件/硬件应该结合紧密，协调工作，共同实现预定的系统功能，因此软件架构的最底层是直接和硬件打交道的设备驱动程序。为了保证应用程序执行的实时性、可靠性，在硬件驱动程序之上，我们选配了实时操作系统uC/OS-Ⅱ作为开发平台，根据该开发平台提供的简单API函数接口，进而实现记事本、计算器、网络浏览器等应用程序。由于本PDA要实现与Internet的互连，所以在这里，我们以开源TCP/IP协议栈LWIP为基础，给uC/OS-Ⅱ加上了网络支持。

　基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA软件总体框架如图2所示。

　图2基于uC/OS-Ⅱ的网络PDA软件总体框架

uC/OS-Ⅱ的移植
uC/OS-Ⅱ是一个免费的源代码公开的实时嵌入式内核，它提供了实时系统所需的基本功能。uC/OS-Ⅱ90%以上的代码都是用C语言编写的，结构简洁，可以很方便地直接移植到各种微处理器上。 uC/OS-Ⅱ短小精悍，其包含全部功能的核心部分代码只占用8.3kB。因此，在进行网络PDA软件设计时，我们选择了uC/OS-Ⅱ作为操作系统。

在本次网络PDA的设计中，我们需要将uC/OS-Ⅱ移植到基于ARM7TDMI的微处理器S3C44B0X上。移植需要完成的工作非常简单，只需要修改三个和ARM体系结构相关的文件，代码量大约是500行。以下分别介绍这三个文件的移植工作。

①设置OSCPU.H中与处理器和编译器相关的工作。这里使用的是GNU的armelfgcc编译器。

②用C语言编写6个操作系统相关的函数(OSCPUC.C)：

●任务堆栈初始化OSTaskStkInit()
●系统hook函数：
OSSTaskCreateHook()
OSTaskDelHook()
OSTaskSwHook()
OSTaskStatHook()
OSTimeTickHook()

③用汇编语言编写4个与处理器相关的函数(OSCPU.ASM)
●OSStartHighRdy()：运行优先级最高的就绪任务
●OSCtxSw()：任务级的上下文切换函数
●OSIntCtxSw()：中断级的任务切换函数
●OSTickISR()：时钟中断处理函数
●ARMEnableInt()&ARMDisableInt()：退出临界区和进入监界区的宏指令实现
完成了上述工作以后，uC/OS-Ⅱ就可以正常运行在S3C44B0X处理器上了。

TCP/IP的移植
在本PDA的设计中，我们以开源TCP/IP协议栈LWIP为基础，给uC/OS-Ⅱ加上了网络支持。LWIP是Swedish Institute of Computer Science开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。 LWIP是指LightWeightIP协议。LWIPTCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要数十kBRAM和40kB左右的ROM就可以运行，这使LWIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。

LWIP协议栈在设计时就考虑到了将来的移植问题，把所有与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下。因此LWIP在uC/OS-Ⅱ上的实现就是修改这个目录下的文件，其他的文件一般不用修改。下面简单介绍LWIP的移植工作：

①修改与CPU或编译器相关的include文件：cc.h、cpu.h、perf.h，正确设置数据长度，字的高低位顺序等。

②修改sysarch.h和sysarch.c中与操作系统相关部分。

③LWIP协议栈中用到了6个外部函数(libarch.c)，这些函数与用户使用的系统或编译器有关，因此需要自己实现。

④/src/netif/ethernetif.c文件即为网络驱动的模板，我们可以参照此模板实现选用的网络设备驱动。做完上面的移植修改工作以后，就可以在uC/OS-Ⅱ中初始化LWIP，并创建TCP或UDP任务了。

PDA传统功能的实现
PDA的传统功能主要是指管理个人信息的一些功能，例如：记事本、地址簿以及时钟、日历、计算器等。

由于本PDA选用16M非线性FLASH存储器，可以存储较大数据量的用户信息，因此根据应用需求，本PDA设计并实现了下列常用功能：

①记事本——可以存储200个具有标题和内容的记事信息。
②地址簿——可以记录400个地址信息。并可根据各种关键字进行查询。
③计算器——包括简单及科学计算器两类。
④日历——提供1930～2029年之间100年的公农历换算。
⑤时钟——提供s级时钟，并可设置定时提醒。
⑥游戏——提供扫雷、五子棋等游戏。
⑦英汉输入法——本PDA选用Unicode字符集，实现了西文字符、汉字、阿拉伯数字等的显示。基于触摸屏的软键盘输入方便了用户输入信息，并实现了汉字拼音输入法。

结束语

上面我们讨论了网络PDA的总体框架设计，实现了网络PDA的硬件和软件架构。目前，网络PDA的硬件和软件工作都已基本完成，正在进行最后的整合测试。我相信随着网络环境的日趋成熟，能够与In2ternet进行互连的PDA产品必将成为PDA市场中的佼佼者。