μC/OS—II的嵌入式串口通信模塊設(shè)計(jì)

    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(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(nèi)核，使用對(duì)象是嵌入式系統(tǒng)，對(duì)源代碼適當(dāng)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(nèi)核，它不像其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如嵌入式Linux)那樣提供給用戶(hù)一些API函數(shù)接口。在μC／OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下，對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)接口沒(méi)有統(tǒng)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(jī)測(cè)控系統(tǒng)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(qū)動(dòng)外設(shè)。本文以單片機(jī)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(shè)驅(qū)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(jī)中斷系統(tǒng)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(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
    執(zhí)行用戶(hù)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(gè)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(kāi)始了。事實(shí)上，此函數(shù)做的工作是把一個(gè)全局變量OSIntNesting加1，此中斷嵌套計(jì)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(gè)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(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(nèi)核作任務(wù)調(diào)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(jù)相應(yīng)的中斷號(hào)運(yùn)行準(zhǔn)確的服務(wù)程序。許多實(shí)時(shí)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(méi)有提供類(lèi)似的接口函數(shù)，需要用戶(hù)在對(duì)CPU的移植中自己實(shí)現(xiàn)。這些接口函數(shù)與具體的硬件環(huán)境有關(guān)，接下來(lái)以51單片機(jī)下的中斷處理對(duì)此詳細(xì)說(shuō)明。
    51單片機(jī)的中斷基本過(guò)程如下：CPU在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻采樣中斷標(biāo)志，而在下一指令周期將對(duì)采樣的中斷進(jìn)行查詢(xún)。如果有中斷請(qǐng)求，則按照優(yōu)先級(jí)高低的原則進(jìn)行處理。響應(yīng)中斷時(shí)，先置相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)激活觸發(fā)器于相應(yīng)位，封鎖同級(jí)或低級(jí)中斷，然后根據(jù)中斷源類(lèi)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(dāng)執(zhí)行中斷返回指令RETI時(shí)，把響應(yīng)中斷時(shí)所置位的優(yōu)先級(jí)激活觸發(fā)器清零后，從堆棧中彈
出被保護(hù)的斷點(diǎn)地址，裝入程序計(jì)數(shù)器PC，CPU返回原來(lái)被中斷處繼續(xù)執(zhí)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(yīng)入口地址
    LJMPSerialISR；轉(zhuǎn)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(jiān)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(qū)動(dòng)程序
    筆者已在5l單片機(jī)上成功移植了μC／0S-II內(nèi)核，移植過(guò)程在此不再討論。這里重點(diǎn)分析μC／0S—II內(nèi)核下串口驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)。
    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(wèn)題，所以需要一個(gè)緩沖區(qū)．向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只要把數(shù)據(jù)寫(xiě)到緩沖區(qū)中，然后由串口逐個(gè)取出往外發(fā)。從串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，往往等收到若干個(gè)字節(jié)后才需要CPU進(jìn)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(shí)際上，單片機(jī)的異步串口中只有兩個(gè)相互獨(dú)立、地址相同的接收、發(fā)送緩沖寄存器SBUF。在實(shí)際應(yīng)用中，需要從內(nèi)存中開(kāi)辟兩個(gè)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(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
    μC／OS-II內(nèi)核提供了信號(hào)量作為通信和同步的機(jī)制，引入數(shù)據(jù)接收信號(hào)量、數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)量分別對(duì)緩沖區(qū)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(qū)滿(mǎn)時(shí)，在信號(hào)量上睡眠，讓CPU運(yùn)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(hù)任務(wù)想讀，但緩沖區(qū)空時(shí)，也可以在信號(hào)量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來(lái)了再喚醒。由于μC／OS-II的信號(hào)量提供了超時(shí)等待機(jī)制，串口當(dāng)然也具有超時(shí)讀寫(xiě)能力。
    圖1是帶緩沖區(qū)和信號(hào)量的串口接收示意圖。數(shù)據(jù)接收信號(hào)量初始化為0，表示在環(huán)形緩沖區(qū)中無(wú)數(shù)據(jù)。

    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(jié)(②)，放入接收緩沖區(qū)(③)，然后通過(guò)接收信號(hào)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(qū)中當(dāng)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(mǎn)。UART收到數(shù)據(jù)并觸發(fā)了接收中斷，但如果此時(shí)緩沖區(qū)是滿(mǎn)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(chǔ)空間的浪費(fèi)。
    圖2為帶環(huán)形緩沖區(qū)和超時(shí)信號(hào)量的串口發(fā)送示意圖。發(fā)送信號(hào)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(shí)，用戶(hù)任務(wù)在信號(hào)量上等待(①)。如果發(fā)送緩沖區(qū)未滿(mǎn)，用戶(hù)任務(wù)向發(fā)送緩沖區(qū)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)(②)。如果寫(xiě)入的是發(fā)送緩沖區(qū)中的第一個(gè)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(xiě)入的字節(jié)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(qū)中最后一個(gè)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(shí)，給信號(hào)量發(fā)信號(hào)(⑤)，發(fā)送任務(wù)據(jù)此信號(hào)量計(jì)數(shù)值來(lái)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(jì)
    每個(gè)串行端口有兩個(gè)環(huán)狀隊(duì)列緩沖區(qū)，同時(shí)有兩個(gè)信號(hào)量：一個(gè)用來(lái)指示接收字節(jié)，另一個(gè)用來(lái)指示發(fā)送字節(jié)。每個(gè)環(huán)狀緩沖區(qū)有以下四個(gè)要素：
    ◇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(INT8U數(shù)組)；
    ◇包含環(huán)狀緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)的計(jì)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(lái)獲取接收到的數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)已空時(shí)將任務(wù)掛起，接收到字節(jié)時(shí)，任務(wù)將被喚醒，同時(shí)從串行口接收字節(jié)。SerialPutRxChar()用來(lái)將接收的字節(jié)放到緩沖區(qū)中，如果接收緩沖區(qū)已滿(mǎn)，則該字節(jié)被丟棄。當(dāng)字節(jié)插入到緩沖區(qū)中，SerialPutRxChar()通知數(shù)據(jù)接收信號(hào)量，使之將數(shù)據(jù)己到的消息傳達(dá)給所有等待的任務(wù)。為防止掛起應(yīng)用任務(wù)，可以通過(guò)調(diào)用SceiallsEmPty()去發(fā)現(xiàn)環(huán)狀隊(duì)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(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)給串行端口時(shí)，SerialPurChar()等待信號(hào)量在初始化發(fā)送信號(hào)量時(shí)應(yīng)該初始為緩沖區(qū)的大小。因此，當(dāng)緩沖區(qū)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(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(gè)字節(jié)，Seri-a1GetChar()就返回一個(gè)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(jìn)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(guò)如下的幾個(gè)函數(shù)來(lái)控制和訪問(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(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?cái)?shù)、奇偶校驗(yàn)和停止位等。
    SerialGetChar()使應(yīng)用程序從接收數(shù)據(jù)的環(huán)狀緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)。
    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(diào)用。SeriallInit()將環(huán)狀緩沖區(qū)計(jì)數(shù)器的字節(jié)數(shù)清零，并初始化每個(gè)環(huán)狀緩沖區(qū)的IN和OUT指針，指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的開(kāi)始處。數(shù)據(jù)接收信號(hào)量初始化為0，表示在環(huán)狀緩沖區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)。用傳送緩沖區(qū)大小初始化數(shù)據(jù)傳送信號(hào)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(jìn)來(lái)。本函數(shù)允許在無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)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(mǎn)時(shí)避免將任務(wù)掛起。
    SerialPutChar()允許應(yīng)用程序向一個(gè)串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)。

結(jié) 語(yǔ)
    該串口通信模塊充分利用了實(shí)時(shí)內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度功能和信號(hào)量機(jī)制，系統(tǒng)軟件模塊化，可讀性增強(qiáng)，便于修改和移植，其設(shè)計(jì)思路和方法可以很好的應(yīng)用在多種情況下的測(cè)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的擴(kuò)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(yuǎn)程控制終端的一部分，運(yùn)行穩(wěn)定，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(quán)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(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品，并對(duì)其軟件擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。Micrium花費(fèi)了大量的時(shí)間和財(cái)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(fèi)軟件，也不是開(kāi)放源碼的軟件，因此，不能免費(fèi)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(fèi)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(gòu)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(xí)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(gòu)買(mǎi)使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權(quán)，包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設(shè)計(jì)，教學(xué)設(shè)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(quán)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(guó)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(guī)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(gòu)買(mǎi)使用授權(quán)，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(shè)計(jì)，培訓(xùn)，教學(xué)和生產(chǎn)。

μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權(quán)方式有：?jiǎn)蝹€(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線（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(shù)目收取費(fèi)用的，相對(duì)起傳統(tǒng)的RTOS 動(dòng)輒2-3萬(wàn)美圓的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和每塊單板的使用費(fèi)（根據(jù)數(shù)量從數(shù)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(fèi)方式，應(yīng)該只是大約相當(dāng)于傳統(tǒng)RTOS 的10-20% 的總體費(fèi)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(gòu)買(mǎi)并獲得正式使用授權(quán)。

北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司