嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為解決實時操作系統(tǒng)μC／OS-II串口通信設(shè)計中信號量、消息郵箱使用方法的問題，提出了一種以STM32V評估板為硬件平臺和μC／OS-Ⅱ的串口通信程序設(shè)計方案。該方案采用Cortex-M3架構(gòu)的ARM處理器STM32F103VB作為主控制芯片，ST3232作為串口通信電平轉(zhuǎn)換器。軟件設(shè)計部分描述了信號量、消息郵箱的應(yīng)用場合和基本操作方法，通過信號量和消息郵箱的配合使用保證任務(wù)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?。給出了整個程序中的設(shè)計思路，程序開發(fā)使用STM32F103VB處理器自帶的固件庫，減少了繁瑣的寄存器配置，降低了程序開發(fā)強度。實驗驗證了在2種不用通信速率下數(shù)據(jù)傳輸具有誤碼率低、傳輸穩(wěn)定可靠的特點，并且若能夠配合相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗算法就可將其應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵詞：實時操作系統(tǒng)；μC／OS-II；信號量；消息郵箱；串口通信；STM32F103VB；ST3232

ARM是目前嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，以低成本、低功耗、高性能的特點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。STM32F103VB是基于ARM新內(nèi)核Cortex-M3的通用微處理器，STM32V評估板是基于該芯片的學(xué)習(xí)板并集成了仿真調(diào)試器(Ulink_Me)，可以方便用戶快速學(xué)習(xí)和開發(fā)用戶程序。目前常見的嵌入式系統(tǒng)有：WinCE、Linux、pSoS、VxWorks和μC／OS-II等。μC／OS-Ⅱ是專門為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的，具有源碼公開、實時性好、可移植裁剪、高效穩(wěn)定和教學(xué)科研免費使用等特點，已經(jīng)成功移植到8、16、32和64位等多種微處理器上，廣泛應(yīng)用于照相攝影、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、工業(yè)機器人控制、發(fā)動機控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等眾多領(lǐng)域。這里以STM32V評估板為硬件開發(fā)平臺，結(jié)合μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計了基于信號量、消息郵箱的串口通信應(yīng)用程序。

1 信號量、消息郵箱
μC／OS-II由事件(Event)驅(qū)動，一般事件包括信號量(Semaphores)、互斥信號量(Mutex semaphores)、消息郵箱(Message Mail boxes)、消息隊列(Message Query)、事件標(biāo)志組(Event Flag Group)等。其中信號量和消息郵箱作為一種常見的通信機制，在數(shù)據(jù)通信過程中應(yīng)用最為廣泛。
1．1 信號量(Semaphores)
μC／OS-II的信號量由2部分組成：一個是信號的計數(shù)值(0～65 535)；另一個是由等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)列表。信號量可用于以下場合：允許一個任務(wù)與其他任務(wù)或中斷同步；取得共享資源的使用權(quán)(滿足互斥條件)；標(biāo)志事件的發(fā)生。
對信號量一般可以實施以下3種操作：初始化(INITIALIZE)信號量或者稱為創(chuàng)建信號量(CREATE)；等待信號量(WAIT)或者稱為掛起信號量(PEND)；發(fā)送信號量(POST)。
信號量在初始化過程中需要給信號量賦初值，等待信號量的任務(wù)表(WAWING LIST)應(yīng)清為空。信號量的使用需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)并配置其相關(guān)的宏定義，具體如表1所示。

1．2 消息郵箱(Message Mail boxes)
消息郵箱能使任務(wù)或中斷服務(wù)向另外一個任務(wù)發(fā)送一個指針型的變量，這個指針指向一個包含指定“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息郵箱發(fā)送的不是消息本身，而是消息的地址指針。
消息郵箱可用于通知一個事件發(fā)生或作為二值信號量使用。消息郵箱的工作原理是郵箱在初始化時建立一個等待消息的任務(wù)列表，當(dāng)郵箱為空時，等待消息的任務(wù)就掛起，并且被加入到等待消息的任務(wù)列表中。當(dāng)郵箱收到消息時，等待任務(wù)列表中優(yōu)先級最高的任務(wù)或者最先等待消息的任務(wù)得到消息，且轉(zhuǎn)入就緒并從任務(wù)列表中清除。
對消息郵箱的操作一般有3種：郵箱初始化(INITIALIZE)，或者稱為建立郵箱(CREATE)；發(fā)送消息給郵箱(POST)；等待消息進入郵箱(PE-ND)；無等待請求郵箱消息(ACCEFT)。
消息郵箱的使用需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)并配置其相關(guān)的宏定義，具體如表2所示。