uCOS-II的嵌入式串口通信模塊設計

1 uCOS-II的中斷處理及51系列單片機中斷系統分析
uCOS-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。

1. 保存全部CPU寄存器；調用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
2. 執行用戶(hù)代碼做中斷服務(wù)；
3. 調用OSIntExit()；
4. 恢復所有CPU寄存器；
5. 執行中斷返回指令。

uCOS-II提供兩個(gè)ISR與內核接口函數；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知uCOS-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uCOS-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。Keil C5l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uCOS-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uCOS-II內核，移植過(guò)程在此不再討論。這里重點(diǎn)分析uC0S—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。
uCOS-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uCOS-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。