基于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)程序以及外設驅動(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。

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