μC/OS―II的嵌入式串口通信模塊設(shè)計

在嵌入式應(yīng)用中，使用RTOS的主要原因是為了提高系統(tǒng)的可靠性，其次是提高開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期。μC／OS-II是一個占先式實時多任務(wù)內(nèi)核，使用對象是嵌入式系統(tǒng)，對源代碼適當裁減，很容易移植到8~32位不同框架的微處理器上。但μC／OS-II僅是一個實時內(nèi)核，它不像其他實時操作系統(tǒng)(如嵌入式Linux)那樣提供給用戶一些API函數(shù)接口。在μC／OS-II實時內(nèi)核下，對外設(shè)的訪問接口沒有統(tǒng)一完善，有很多工作需要用戶自己去完成。串口通信是單片機測控系統(tǒng)的重要組成部分，異步串行口是一個比較簡單又很具代表性的中斷驅(qū)動外設(shè)。本文以單片機中的串口為例，介紹μC／OS―II下編寫中斷服務(wù)程序以及外設(shè)動程序的一般思路。

1 μC／OS-II的中斷處理及51系列單片機中斷系統(tǒng)分析
μC／OS-II中斷服務(wù)程序(ISR)一般用匯編語言編寫。以下是中斷服務(wù)程序的步驟。
保存全部CPU寄存器；調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)；
調(diào)用0SIntExit()；
恢復(fù)所有CPU寄存器；
執(zhí)行中斷返回指令。
μC／OS-II提供兩個ISR與內(nèi)核接口函數(shù)；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知μC／OS―II核，中斷服務(wù)程序開始了。事實上，此函數(shù)做的工作是把一個全局變量OSIntNesting加1，此中斷嵌套計數(shù)器可以確保所有中斷處理完成后再做任務(wù)調(diào)度。另一個接口函數(shù)OSIntExit（）則通知內(nèi)核，中斷服務(wù)已結(jié)束。根據(jù)相應(yīng)情況，退回被中斷點（可能是一個任務(wù)或者是被嵌套的中斷服務(wù)程序）或由內(nèi)核作任務(wù)調(diào)度。
用戶編寫的ISR必須被安裝到某一位置，以便中斷發(fā)生后，CPU根據(jù)相應(yīng)的中斷號運行準確的服務(wù)程序。許多實時操作系統(tǒng)都提供了安裝和卸載中斷服務(wù)程序的API接口函數(shù)，但μC／OS―II內(nèi)核沒有提供類似的接口函數(shù)，需要用戶在對CPU的移植中自己實現(xiàn)。這些接口函數(shù)與具體的硬件環(huán)境有關(guān)，接下來以51單片機下的中斷處理對此詳細說明。
51單片機的中斷基本過程如下：CPU在每個機器周期的S5P2時刻采樣中斷標志，而在下一指令周期將對采樣的中斷進行查詢。如果有中斷請求，則按照優(yōu)先級高低的原則進行處理。響應(yīng)中斷時，先置相應(yīng)的優(yōu)先級激活觸發(fā)器于相應(yīng)位，封鎖同級或低級中斷，然后根據(jù)中斷源類別，在硬件控制下，將中斷地址壓入堆棧，并轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷向量入口單元。通常在入口單元處放一跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷服務(wù)程序．當執(zhí)行中斷返回指令RETI時，把響應(yīng)中斷時所置位的優(yōu)先級激活觸發(fā)器清零后，從堆棧中彈
出被保護的斷點地址，裝入程序計數(shù)器PC，CPU返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行程序。
在移植的過程中，采用Keil C51作為編譯環(huán)境。KeilC5l集成C編譯和匯編器。中斷子程序用匯編語言編寫，放到移植μC／0S―II后的OS_CPU_A.ASM匯編文件中。下面是以串行口中斷為例的移植中斷服務(wù)子程序代碼。
CSEGAT0023H ；串口中斷響應(yīng)入口地址
LJMPSerialISR；轉(zhuǎn)移到串口中斷子程序入口地址
RSEG？PR?SeriallSR？OS_CPU_A
SerialISR：
USINGO
CLR EA ；先關(guān)中斷，以防中斷嵌套
PUSHALL ；已定義的壓棧宏，用于將
；CPU寄存器的值壓入堆棧
LCALL_?OSIntEnter ；監(jiān)視中斷嵌套
LCALL_?Serial ；串口中斷服務(wù)程序
LCALL_?OSintExlt
SETBEA
POPALL；已定義的出棧宏，將CPU寄存器的值出棧
RETI

2 串口驅(qū)動程序
筆者已在5l單片機上成功移植了μC／0S-II內(nèi)核，移植過程在此不再討論。這里重點分析μC／0S―II內(nèi)核下串口驅(qū)動程序編寫。
由于串行設(shè)備存在外設(shè)處理速度和CPU速度不匹配的問題，所以需要一個緩沖區(qū)．向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)中，然后由串口逐個取出往外發(fā)。從串口接收數(shù)據(jù)時，往往等收到若干個字節(jié)后才需要CPU進行處理，所以這些預(yù)收的數(shù)據(jù)可以先存于緩沖區(qū)中。實際上，單片機的異步串口中只有兩個相互獨立、地址相同的接收、發(fā)送緩沖寄存器SBUF。在實際應(yīng)用中，需要從內(nèi)存中開辟兩個緩沖區(qū)，分別為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)。這里把緩沖區(qū)定義為環(huán)形隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
μC／OS-II內(nèi)核提供了信號量作為通信和同步的機制，引入數(shù)據(jù)接收信號量、數(shù)據(jù)發(fā)送信號量分別對緩沖區(qū)兩端的操作進行同步。串口的操作模式如下：用戶任務(wù)想寫，但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務(wù)，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務(wù)；同樣，用戶任務(wù)想讀，但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于μC／OS-II的信號量提供了超時等待機制，串口當然也具有超時讀寫能力。
圖1是帶緩沖區(qū)和信號量的串口接收示意圖。數(shù)據(jù)接收信號量初始化為0，表示在環(huán)形緩沖區(qū)中無數(shù)據(jù)。

接收中斷到來后，ISR從UART的接收緩沖器SBUF中讀入接收的字節(jié)(②)，放入接收緩沖區(qū)(③)，然后通過接收信號量喚醒用戶任務(wù)端的讀操作(④、①)。在整個過程中，可以查詢記錄緩沖區(qū)中當前字節(jié)數(shù)的變量值，此變量表明接收緩沖區(qū)是否已滿。UART收到數(shù)據(jù)并觸發(fā)了接收中斷，但如果此時緩沖區(qū)是滿的，那么放棄收到的字符。緩沖區(qū)的大小應(yīng)合理設(shè)置，降低數(shù)據(jù)丟失的可能性，又要避免存儲空間的浪費。
圖2為帶環(huán)形緩沖區(qū)和超時信號量的串口發(fā)送示意圖。發(fā)送信號量初始值設(shè)為發(fā)送緩沖區(qū)的大小，表示緩沖區(qū)已空，并且關(guān)閉發(fā)送中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)時，用戶任務(wù)在信號量上等待(①)。如果發(fā)送緩沖區(qū)未滿，用戶任務(wù)向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)(②)。如果寫入的是發(fā)送緩沖區(qū)中的第一個字節(jié)，則允許發(fā)送中斷(②)。然后，發(fā)送ISR從發(fā)送緩沖區(qū)中取出最早寫入的字節(jié)輸出至UART(④)，這個操作又觸發(fā)了下一次的發(fā)送中斷，如此循環(huán)直到發(fā)送緩沖區(qū)中最后一個字節(jié)被取走，重新關(guān)閉發(fā)送中斷。在ISR向UART輸出的同時，給信號量發(fā)信號(⑤)，發(fā)送任務(wù)據(jù)此信號量計數(shù)值來了解發(fā)送緩沖區(qū)中是否有空間。

3 串口通信模塊的設(shè)計
每個串行端口有兩個環(huán)狀隊列緩沖區(qū)，同時有兩個信號量：一個用來指示接收字節(jié)，另一個用來指示發(fā)送字節(jié)。每個環(huán)狀緩沖區(qū)有以下四個要素：
◇存儲數(shù)據(jù)(INT8U數(shù)組)；
◇包含環(huán)狀緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)的計數(shù)器；
◇環(huán)狀緩沖區(qū)中指向?qū)⒈环胖玫南乱蛔止?jié)的指針；
◇環(huán)狀緩沖區(qū)中指向被取出的下一字節(jié)的指針。
圖3是接收數(shù)據(jù)軟件模塊的流程圖。SerialGetehar（）用來獲取接收到的數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)已空時將任務(wù)掛起，接收到字節(jié)時，任務(wù)將被喚醒，同時從串行口接收字節(jié)。SerialPutRxChar()用來將接收的字節(jié)放到緩沖區(qū)中，如果接收緩沖區(qū)已滿，則該字節(jié)被丟棄。當字節(jié)插入到緩沖區(qū)中，SerialPutRxChar()通知數(shù)據(jù)接收信號量，使之將數(shù)據(jù)己到的消息傳達給所有等待的任務(wù)。為防止掛起應(yīng)用任務(wù)，可以通過調(diào)用SceiallsEmPty()去發(fā)現(xiàn)環(huán)狀隊列中是否有字節(jié)。

圖4是發(fā)送數(shù)據(jù)模塊的流程圖。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)給串行端口時，SerialPurChar()等待信號量在初始化發(fā)送信號量時應(yīng)該初始為緩沖區(qū)的大小。因此，當緩沖區(qū)中沒有更多空間時，SerialPutChar()就掛起任務(wù)，只要UART再次發(fā)送字節(jié)，掛起任務(wù)就將恢復(fù)。SerialGctChar()被中斷服務(wù)程序調(diào)用，如果發(fā)送緩沖區(qū)至少還有一個字節(jié)，Seri-a1GetChar()就返回一個從緩沖區(qū)發(fā)送的字節(jié)。如果緩沖區(qū)己空，則SerialGetChar()返回Null，這將使調(diào)用停止進一步的發(fā)送中斷，一直到有數(shù)據(jù)發(fā)送為止。

4 異步串行通信的接口函數(shù)
應(yīng)用任務(wù)可以通過如下的幾個函數(shù)來控制和訪問UART：SerialCfgPort()、SerialGetChar()、SerialInit()、SerialIsEmpty()、SerialIsFull()和SerialPutChar()。
SerialCfgPort()用于建立串行端口的特征，在為指定端口調(diào)用其他服務(wù)前，必須先調(diào)用該函數(shù)，包括確定波特率、比特數(shù)、奇偶校驗和停止位等。
SerialGetChar()使應(yīng)用程序從接收數(shù)據(jù)的環(huán)狀緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)。
SerialInit()用于初始化整個串口軟件模塊，且必須在該模塊提供的其他任何服務(wù)前調(diào)用。SeriallInit()將環(huán)狀緩沖區(qū)計數(shù)器的字節(jié)數(shù)清零，并初始化每個環(huán)狀緩沖區(qū)的IN和OUT指針，指向數(shù)據(jù)存儲區(qū)的開始處。數(shù)據(jù)接收信號量初始化為0，表示在環(huán)狀緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)。用傳送緩沖區(qū)大小初始化數(shù)據(jù)傳送信號量，表示緩沖區(qū)已空。
SerialIsEmpty()允許應(yīng)用程序確定是否有字節(jié)從串口接收進來。本函數(shù)允許在無數(shù)據(jù)時避免將任務(wù)掛起。
SerialIsFull()允許應(yīng)用程序確定傳送環(huán)狀緩沖區(qū)的狀態(tài)，本函數(shù)可以在緩沖區(qū)已滿時避免將任務(wù)掛起。
SerialPutChar()允許應(yīng)用程序向一個串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)。

結(jié) 語
該串口通信模塊充分利用了實時內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度功能和信號量機制，系統(tǒng)軟件模塊化，可讀性增強，便于修改和移植，其設(shè)計思路和方法可以很好的應(yīng)用在多種情況下的測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的擴展方便，具有一定的借鑒作用。該串口通信模塊已作為某鐵路供水遠程控制終端的一部分，運行穩(wěn)定，提高了整個系統(tǒng)的運行效率和實時性。

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