基于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)驅(qū)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。

　　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title="緩沖區(qū)" style="text-decoration:underline;color:blue">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。