μC/OS―II的嵌入式串口通信模塊設計

在嵌入式應用中，使用RTOS的主要原因是為了提高系統的可靠性，其次是提高開(kāi)發(fā)效率、縮短開(kāi)發(fā)周期。μC／OS-II是一個(gè)占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，使用對象是嵌入式系統，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(gè)實(shí)時(shí)內核，它不像其他實(shí)時(shí)操作系統(如嵌入式Linux)那樣提供給用戶(hù)一些API函數接口。在μC／OS-II實(shí)時(shí)內核下，對外設的訪(fǎng)問(wèn)接口沒(méi)有統一完善，有很多工作需要用戶(hù)自己去完成。串口通信是單片機測控系統的重要組成部分，異步串行口是一個(gè)比較簡(jiǎn)單又很具代表性的中斷驅動(dòng)外設。本文以單片機中的串口為例，介紹μC／OS―II下編寫(xiě)中斷服務(wù)程序以及外設動(dòng)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分析
μC／OS-II中斷服務(wù)程序(ISR)一般用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。以下是中斷服務(wù)程序的步驟。
保存全部CPU寄存器；調用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
執行用戶(hù)代碼做中斷服務(wù)；
調用0SIntExit()；
恢復所有CPU寄存器；
執行中斷返回指令。
μC／OS-II提供兩個(gè)ISR與內核接口函數；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知μC／OS―II核，中斷服務(wù)程序開(kāi)始了。事實(shí)上，此函數做的工作是把一個(gè)全局變量OSIntNesting加1，此中斷嵌套計數器可以確保所有中斷處理完成后再做任務(wù)調度。另一個(gè)接口函數OSIntExit（）則通知內核，中斷服務(wù)已結束。根據相應情況，退回被中斷點(diǎn)（可能是一個(gè)任務(wù)或者是被嵌套的中斷服務(wù)程序）或由內核作任務(wù)調度。
用戶(hù)編寫(xiě)的ISR必須被安裝到某一位置，以便中斷發(fā)生后，CPU根據相應的中斷號運行準確的服務(wù)程序。許多實(shí)時(shí)操作系統都提供了安裝和卸載中斷服務(wù)程序的API接口函數，但μC／OS―II內核沒(méi)有提供類(lèi)似的接口函數，需要用戶(hù)在對CPU的移植中自己實(shí)現。這些接口函數與具體的硬件環(huán)境有關(guān)，接下來(lái)以51單片機下的中斷處理對此詳細說(shuō)明。
51單片機的中斷基本過(guò)程如下：CPU在每個(gè)機器周期的S5P2時(shí)刻采樣中斷標志，而在下一指令周期將對采樣的中斷進(jìn)行查詢(xún)。如果有中斷請求，則按照優(yōu)先級高低的原則進(jìn)行處理。響應中斷時(shí)，先置相應的優(yōu)先級激活觸發(fā)器于相應位，封鎖同級或低級中斷，然后根據中斷源類(lèi)別，在硬件控制下，將中斷地址壓入堆棧，并轉向相應的中斷向量入口單元。通常在入口單元處放一跳轉指令，轉向執行中斷服務(wù)程序．當執行中斷返回指令RETI時(shí)，把響應中斷時(shí)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(diǎn)地址，裝入程序計數器PC，CPU返回原來(lái)被中斷處繼續執行程序。
在移植的過(guò)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(yǔ)言編寫(xiě)，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 ；串口中斷響應入口地址
LJMPSerialISR；轉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 串口驅動(dòng)程序
筆者已在5l單片機上成功移植了μC／0S-II內核，移植過(guò)程在此不再討論。這里重點(diǎn)分析μC／0S―II內核下串口驅動(dòng)程序編寫(xiě)。
由于串行設備存在外設處理速度和CPU速度不匹配的問(wèn)題，所以需要一個(gè)緩沖區．向串口發(fā)送數據時(shí)，只要把數據寫(xiě)到緩沖區中，然后由串口逐個(gè)取出往外發(fā)。從串口接收數據時(shí)，往往等收到若干個(gè)字節后才需要CPU進(jìn)行處理，所以這些預收的數據可以先存于緩沖區中。實(shí)際上，單片機的異步串口中只有兩個(gè)相互獨立、地址相同的接收、發(fā)送緩沖寄存器SBUF。在實(shí)際應用中，需要從內存中開(kāi)辟兩個(gè)緩沖區，分別為接收緩沖區和發(fā)送緩沖區。這里把緩沖區定義為環(huán)形隊列的數據結構。
μC／OS-II內核提供了信號量作為通信和同步的機制，引入數據接收信號量、數據發(fā)送信號量分別對緩沖區兩端的操作進(jìn)行同步。串口的操作模式如下：用戶(hù)任務(wù)想寫(xiě)，但緩沖區滿(mǎn)時(shí)，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務(wù)，待ISR從緩沖區讀走數據后喚醒此睡眠的任務(wù)；同樣，用戶(hù)任務(wù)想讀，但緩沖區空時(shí)，也可以在信號量上睡眠，待外部設備有數據來(lái)了再喚醒。由于μC／OS-II的信號量提供了超時(shí)等待機制，串口當然也具有超時(shí)讀寫(xiě)能力。
圖1是帶緩沖區和信號量的串口接收示意圖。數據接收信號量初始化為0，表示在環(huán)形緩沖區中無(wú)數據。

接收中斷到來(lái)后，ISR從UART的接收緩沖器SBUF中讀入接收的字節(②)，放入接收緩沖區(③)，然后通過(guò)接收信號量喚醒用戶(hù)任務(wù)端的讀操作(④、①)。在整個(gè)過(guò)程中，可以查詢(xún)記錄緩沖區中當前字節數的變量值，此變量表明接收緩沖區是否已滿(mǎn)。UART收到數據并觸發(fā)了接收中斷，但如果此時(shí)緩沖區是滿(mǎn)的，那么放棄收到的字符。緩沖區的大小應合理設置，降低數據丟失的可能性，又要避免存儲空間的浪費。
圖2為帶環(huán)形緩沖區和超時(shí)信號量的串口發(fā)送示意圖。發(fā)送信號量初始值設為發(fā)送緩沖區的大小，表示緩沖區已空，并且關(guān)閉發(fā)送中斷。發(fā)送數據時(shí)，用戶(hù)任務(wù)在信號量上等待(①)。如果發(fā)送緩沖區未滿(mǎn)，用戶(hù)任務(wù)向發(fā)送緩沖區中寫(xiě)入數據(②)。如果寫(xiě)入的是發(fā)送緩沖區中的第一個(gè)字節，則允許發(fā)送中斷(②)。然后，發(fā)送ISR從發(fā)送緩沖區中取出最早寫(xiě)入的字節輸出至UART(④)，這個(gè)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)送緩沖區中最后一個(gè)字節被取走，重新關(guān)閉發(fā)送中斷。在ISR向UART輸出的同時(shí)，給信號量發(fā)信號(⑤)，發(fā)送任務(wù)據此信號量計數值來(lái)了解發(fā)送緩沖區中是否有空間。

3 串口通信模塊的設計
每個(gè)串行端口有兩個(gè)環(huán)狀隊列緩沖區，同時(shí)有兩個(gè)信號量：一個(gè)用來(lái)指示接收字節，另一個(gè)用來(lái)指示發(fā)送字節。每個(gè)環(huán)狀緩沖區有以下四個(gè)要素：
◇存儲數據(INT8U數組)；
◇包含環(huán)狀緩沖區字節數的計數器；
◇環(huán)狀緩沖區中指向將被放置的下一字節的指針；
◇環(huán)狀緩沖區中指向被取出的下一字節的指針。
圖3是接收數據軟件模塊的流程圖。SerialGetehar（）用來(lái)獲取接收到的數據，如果緩沖區已空時(shí)將任務(wù)掛起，接收到字節時(shí)，任務(wù)將被喚醒，同時(shí)從串行口接收字節。SerialPutRxChar()用來(lái)將接收的字節放到緩沖區中，如果接收緩沖區已滿(mǎn)，則該字節被丟棄。當字節插入到緩沖區中，SerialPutRxChar()通知數據接收信號量，使之將數據己到的消息傳達給所有等待的任務(wù)。為防止掛起應用任務(wù)，可以通過(guò)調用SceiallsEmPty()去發(fā)現環(huán)狀隊列中是否有字節。

圖4是發(fā)送數據模塊的流程圖。當需要發(fā)送數據給串行端口時(shí)，SerialPurChar()等待信號量在初始化發(fā)送信號量時(shí)應該初始為緩沖區的大小。因此，當緩沖區中沒(méi)有更多空間時(shí)，SerialPutChar()就掛起任務(wù)，只要UART再次發(fā)送字節，掛起任務(wù)就將恢復。SerialGctChar()被中斷服務(wù)程序調用，如果發(fā)送緩沖區至少還有一個(gè)字節，Seri-a1GetChar()就返回一個(gè)從緩沖區發(fā)送的字節。如果緩沖區己空，則SerialGetChar()返回Null，這將使調用停止進(jìn)一步的發(fā)送中斷，一直到有數據發(fā)送為止。

4 異步串行通信的接口函數
應用任務(wù)可以通過(guò)如下的幾個(gè)函數來(lái)控制和訪(fǎng)問(wèn)UART：SerialCfgPort()、SerialGetChar()、SerialInit()、SerialIsEmpty()、SerialIsFull()和SerialPutChar()。
SerialCfgPort()用于建立串行端口的特征，在為指定端口調用其他服務(wù)前，必須先調用該函數，包括確定波特率、比特數、奇偶校驗和停止位等。
SerialGetChar()使應用程序從接收數據的環(huán)狀緩沖區中取出數據。
SerialInit()用于初始化整個(gè)串口軟件模塊，且必須在該模塊提供的其他任何服務(wù)前調用。SeriallInit()將環(huán)狀緩沖區計數器的字節數清零，并初始化每個(gè)環(huán)狀緩沖區的IN和OUT指針，指向數據存儲區的開(kāi)始處。數據接收信號量初始化為0，表示在環(huán)狀緩沖區無(wú)數據。用傳送緩沖區大小初始化數據傳送信號量，表示緩沖區已空。
SerialIsEmpty()允許應用程序確定是否有字節從串口接收進(jìn)來(lái)。本函數允許在無(wú)數據時(shí)避免將任務(wù)掛起。
SerialIsFull()允許應用程序確定傳送環(huán)狀緩沖區的狀態(tài)，本函數可以在緩沖區已滿(mǎn)時(shí)避免將任務(wù)掛起。
SerialPutChar()允許應用程序向一個(gè)串行端口發(fā)送數據。

結 語(yǔ)
該串口通信模塊充分利用了實(shí)時(shí)內核的任務(wù)調度功能和信號量機制，系統軟件模塊化，可讀性增強，便于修改和移植，其設計思路和方法可以很好的應用在多種情況下的測控系統中，系統的擴展方便，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，運行穩定，提高了整個(gè)系統的運行效率和實(shí)時(shí)性。

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關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權的說(shuō)明

Micrium公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium公司提供嵌入式系統應用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權。Micrium花費了大量的時(shí)間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶(hù)，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費軟件，也不是開(kāi)放源碼的軟件，因此，不能免費使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開(kāi)放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。

開(kāi)發(fā)和研究者可以通過(guò)購買(mǎi)Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書(shū)籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個(gè)人和學(xué)校學(xué)習使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買(mǎi)使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權，包括芯片/單板/系統廠(chǎng)家的任何參考設計，教學(xué)設備和最終的產(chǎn)品，如果沒(méi)有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權都是不合法的使用,這在μC/OS-II的書(shū)籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站（www.bmrtech.com）上面中有明確規定。

Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等的銷(xiāo)售模式與μC/OS-II不同，如果沒(méi)有購買(mǎi)使用授權，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設計，培訓，教學(xué)和生產(chǎn)。

μC/OS-II,μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等授權方式有：?jiǎn)蝹€(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線(xiàn)（系列）、按照CPU劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW等工具是按照使用人的數目收取費用的，相對起傳統的RTOS動(dòng)輒2-3萬(wàn)美圓的開(kāi)發(fā)費用和每塊單板的使用費（根據數量從數百到幾個(gè)美圓），μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費方式，應該只是大約相當于傳統RTOS的10-20%的總體費用。

如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品，您需要購買(mǎi)并獲得正式使用授權。

北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司