嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-II串口通信的設計與實(shí)現

摘要：為解決實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-II串口通信設計中信號量、消息郵箱使用方法的問(wèn)題，提出了一種以STM32V評估板為硬件平臺和μC／OS-Ⅱ的串口通信程序設計方案。該方案采用Cortex-M3架構的ARM處理器STM32F103VB作為主控制芯片，ST3232作為串口通信電平轉換器。軟件設計部分描述了信號量、消息郵箱的應用場(chǎng)合和基本操作方法，通過(guò)信號量和消息郵箱的配合使用保證任務(wù)間的數據傳輸的同步性。給出了整個(gè)程序中的設計思路，程序開(kāi)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(kāi)發(fā)強度。實(shí)驗驗證了在2種不用通信速率下數據傳輸具有誤碼率低、傳輸穩定可靠的特點(diǎn)，并且若能夠配合相應的數據校驗算法就可將其應用于工業(yè)現場(chǎng)的數據通信。
關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)操作系統；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)域中應用最廣泛的RISC微處理器結構，以低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)占據了嵌入式系統應用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。STM32F103VB是基于A(yíng)RM新內核Cortex-M3的通用微處理器，STM32V評估板是基于該芯片的學(xué)習板并集成了仿真調試器(Ulink_Me)，可以方便用戶(hù)快速學(xué)習和開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序。目前常見(jiàn)的嵌入式系統有：WinCE、Linux、pSoS、VxWorks和μC／OS-II等。μC／OS-Ⅱ是專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統應用設計的，具有源碼公開(kāi)、實(shí)時(shí)性好、可移植裁剪、高效穩定和教學(xué)科研免費使用等特點(diǎn)，已經(jīng)成功移植到8、16、32和64位等多種微處理器上，廣泛應用于照相攝影、醫療器械、音響設備、工業(yè)機器人控制、發(fā)動(dòng)機控制、航空器、高速公路電話(huà)系統、自動(dòng)提款機等眾多領(lǐng)域。這里以STM32V評估板為硬件開(kāi)發(fā)平臺，結合μC／OS-II嵌入式操作系統，設計了基于信號量、消息郵箱的串口通信應用程序。

1 信號量、消息郵箱
μC／OS-II由事件(Event)驅動(dòng)，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)、事件標志組(Event Flag Group)等。其中信號量和消息郵箱作為一種常見(jiàn)的通信機制，在數據通信過(guò)程中應用最為廣泛。
1．1 信號量(Semaphores)
μC／OS-II的信號量由2部分組成：一個(gè)是信號的計數值(0～65 535)；另一個(gè)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(chǎng)合：允許一個(gè)任務(wù)與其他任務(wù)或中斷同步；取得共享資源的使用權(滿(mǎn)足互斥條件)；標志事件的發(fā)生。
對信號量一般可以實(shí)施以下3種操作：初始化(INITIALIZE)信號量或者稱(chēng)為創(chuàng )建信號量(CREATE)；等待信號量(WAIT)或者稱(chēng)為掛起信號量(PEND)；發(fā)送信號量(POST)。
信號量在初始化過(guò)程中需要給信號量賦初值，等待信號量的任務(wù)表(WAWING LIST)應清為空。信號量的使用需要調用相應的函數并配置其相關(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(gè)任務(wù)發(fā)送一個(gè)指針型的變量，這個(gè)指針指向一個(gè)包含指定“消息”的數據結構。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(gè)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(shí)建立一個(gè)等待消息的任務(wù)列表，當郵箱為空時(shí)，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。當郵箱收到消息時(shí)，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(chēng)為建立郵箱(CREATE)；發(fā)送消息給郵箱(POST)；等待消息進(jìn)入郵箱(PE-ND)；無(wú)等待請求郵箱消息(ACCEFT)。
消息郵箱的使用需要調用相應的函數并配置其相關(guān)的宏定義，具體如表2所示。