基于实时嵌入式操作系统mC／OS－II实现GPRS终端系统的设计

2021-08-06 10:07:32 电子设计应用

作者：杨金峰，叶敦范，余永宝

实时嵌入式操作系统mC/OS-II面向中小型嵌入式应用，包含全部功能模块的内核大约为10KB，RAM的应用量主要与系统中的任务数有关。

GPRS是在目前运行的GSM网络基础上发展起来的数据业务，可以采用与GSM同样的调制技术、频率，以及同样的TDMA帧结构。利用现有的基站子系统（BSS），GPRS从一开始就可以提供全面的覆盖。

GPRS终端系统的硬件组成

GPRS终端系统主要由控制部分和GPRS无线模块组成，如图1所示。

图1 GPRS终端的硬件组成原理

为了适应嵌入式技术在GPRS通信中的应用，系统的控制部分采用了S3C44B0x芯片。

S3C44B0x是16/32位RISC微处理器，为手持设备和通常应用提供了一种高性价比的解决方案。

S3C44B0x具有丰富的片内资源，可以通过串行接口操作GPRS模块，操作指令为AT命令集。

GPRS无线模块采用了SIM300，该模块支持GPRS的语音、数据和短信息功能，内嵌TCP/IP协议。该模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个60脚的ZIF插座组成。其中，GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。GPRS模块接收速率可达86.2kbps，发送速率达21.5kbps，易于集成。

mC/OS-II的移植

mC/OS-II是一个移植性很强的操作系统，其源代码分为硬件无关和硬件有关两个部分，移植时只需修改与硬件有关的部分。移植mC/OS-II到S3C44B0X 上，需做以下工作：

（1）修改数据类型

为保持与平台的无关性，mC/OS-II使用经过宏定义的通用类型，如INT16U，表示16 位无符号数。在移植时，要把它们映射成正确的类型。

（2）进入和退出临界段

用关闭和打开中断的方式，实现进入临界段函数OS_ENTER_CRITICAL（）和退出临界段函数OS_EX2IT_CRITICAL（）。

（3）设置堆栈生长方向

不同的处理器堆栈的生长方向不同，对S3C44B0X来说，其生长方向可以向上也可以向下。但是，由于编译器ADS仅支持堆栈从上往下长，并且必须是满递减堆栈，所以这里要设置的实际使用方向为向下增长，即

#define OS_STR_GROWTH 1;

（4）任务的切换和调度

进行任务的切换和调度有两种方法，一是当前运行的任务主动调用OS_Sched（），判断是否有更高优先级的任务要运行，如果有就将其切换到就绪态，然后调用OS_TASK_SW（），产生一个软中断，中断向量指向函数OSIntCtxSw（），在其中修改任务堆栈，运行新的任务。二是产生硬件中断后，在中断处理函数中调用OSIntEx（）。

在上述过程中，产生软中断和修改任务堆栈的代码都是与处理器相关的， S3C44B0X 的软中断汇编指令是SWI ，压栈和出栈的汇编指令分别是STM和LDM。

（5）堆栈的初始化

mC/OS-II在创建任务时会调用OSTaskStkInt（）函数对任务堆栈进行初始化，这里需要将堆栈设置成和产生中断后的形式一样，一般包括任务起始地址、中断返回地址、CPU 寄存器等内容。另外，还要保证任务是运行在特权模式下，而不是用户模式下。

（6）时钟节拍中断

mC/OS-II用时钟节拍中断实现时间延迟和超时功能，定时频率一般在10Hz“100Hz。设置定时器的代码与CPU 相关，中断向量必须指向mC/OS-II时钟节拍中断服务子程序OSTickISR（）。

系统的流程和任务的组成

本系统中，首先调用OSInit（），初始化mC/OS-II所有的变量和数据结构，再调用ARM_init（）初始化微控制器的定时器及串口等硬件，通过调用OSTaskCreate（），依次创建各个任务，最后调用OSStart（）启动系统，开始多任务调度。整个系统控制程序模块及流程如图2所示。

图2 系统控制程序模块及流程

整个系统中的任务包括ARM控制部分的键盘扫描、LCD显示任务和通信任务以及GPRS终端功能的短消息任务，语音通话任务等。因此，在mC/OS-II系统中的任务主要包括：

键盘扫描任务task_sys_key scan（），包括4×4键盘部分的扫描识别keyscan（），以及对应按键功能编码的实现keyscan_code（）等。

LCD显示任务task_sys_ lcddis（），包括背景内容显示display_context（）、输入内容显示display_input（）、输出内容显示display_output（）等。

通信任务task_sys_ communication（），除了包括系统和主机进行通信的函数host_msg（），以实现通过电脑进行系统操作，还有各个任务之间相互通信的处理msg_tasl（）。

话音通话任务task_sys_ telephone（），其中包括电话呼叫gprs_phone_call（）、电话接听gprs_phone_recevie（）等。另外，还包括系统短信收发任务。

根据系统进行GPRS短消息通信和语音通信的功能要求，设置各个任务的优先级如表1所示。

结语

mC/OS-II实时操作系统是开放源代码且得到实际验证的软件平台，而S3C44BOx具有强大的32位RISC性能，基于此软件及硬件平台对GPRS模块进行设计，能大量减轻研发任务，提高研发速度，为在短时间内实现GPRS终端系统设计创造良好条件。