μC/OS—II的嵌入式串口通信模塊設計
——
加入技術交流群
1 μC／OS-II的中斷處理及51系列單片機中斷系統(tǒng)分析
μC／OS-II中斷服務程序(ISR)一般用匯編語言編寫。以下是中斷服務程序的步驟。
保存全部CPU寄存器；調用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
執(zhí)行用戶代碼做中斷服務；
調用0SIntExit()；
恢復所有CPU寄存器；
執(zhí)行中斷返回指令。
μC／OS-II提供兩個ISR與內核接口函數(shù)；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知μC／OS—II核，中斷服務程序開始了。事實上，此函數(shù)做的工作是把一個全局變量OSIntNesting加1，此中斷嵌套計數(shù)器可以確保所有中斷處理完成后再做任務調度。另一個接口函數(shù)OSIntExit（）則通知內核，中斷服務已結束。根據(jù)相應情況，退回被中斷點（可能是一個任務或者是被嵌套的中斷服務程序）或由內核作任務調度。
用戶編寫的ISR必須被安裝到某一位置，以便中斷發(fā)生后，CPU根據(jù)相應的中斷號運行準確的服務程序。許多實時操作系統(tǒng)都提供了安裝和卸載中斷服務程序的API接口函數(shù)，但μC／OS—II內核沒有提供類似的接口函數(shù)，需要用戶在對CPU的移植中自己實現(xiàn)。這些接口函數(shù)與具體的硬件環(huán)境有關，接下來以51單片機下的中斷處理對此詳細說明。
51單片機的中斷基本過程如下：CPU在每個機器周期的S5P2時刻采樣中斷標志，而在下一指令周期將對采樣的中斷進行查詢。如果有中斷請求，則按照優(yōu)先級高低的原則進行處理。響應中斷時，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(jù)中斷源類別，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(zhí)行中斷服務程序．當執(zhí)行中斷返回指令RETI時，把響應中斷時所置位的優(yōu)先級激活觸發(fā)器清零后，從堆棧中彈
出被保護的斷點地址，裝入程序計數(shù)器PC，CPU返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行程序。
在移植的過程中，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言編寫，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 串口驅動程序
筆者已在5l單片機上成功移植了μC／0S-II內核，移植過程在此不再討論。這里重點分析μC／0S—II內核下串口驅動程序編寫。
由于串行設備存在外設處理速度和CPU速度不匹配的問題，所以需要一個緩沖區(qū)．向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)中，然后由串口逐個取出往外發(fā)。從串口接收數(shù)據(jù)時，往往等收到若干個字節(jié)后才需要CPU進行處理，所以這些預收的數(shù)據(jù)可以先存于緩沖區(qū)中。實際上，單片機的異步串口中只有兩個相互獨立、地址相同的接收、發(fā)送緩沖寄存器SBUF。在實際應用中，需要從內存中開辟兩個緩沖區(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)形隊列的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收信號量、數(shù)據(jù)發(fā)送信號量分別對緩沖區(qū)兩端的操作進行同步。串口的操作模式如下：用戶任務想寫，但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務；同樣，用戶任務想讀，但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于μC／OS-II的信號量提供了超時等待機制，串口當然也具有超時讀寫能力。
圖1是帶緩沖區(qū)和信號量的串口接收示意圖。數(shù)據(jù)接收信號量初始化為0，表示在環(huán)形緩沖區(qū)中無數(shù)據(jù)。
接收中斷到來后，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)，然后通過接收信號量喚醒用戶任務端的讀操作(④、①)。在整個過程中，可以查詢記錄緩沖區(qū)中當前字節(jié)數(shù)的變量值，此變量表明接收緩沖區(qū)是否已滿。UART收到數(shù)據(jù)并觸發(fā)了接收中斷，但如果此時緩沖區(qū)是滿的，那么放棄收到的字符。緩沖區(qū)的大小應合理設置，降低數(shù)據(jù)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(qū)和超時信號量的串口發(fā)送示意圖。發(fā)送信號量初始值設為發(fā)送緩沖區(qū)的大小，表示緩沖區(qū)已空，并且關閉發(fā)送中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)時，用戶任務在信號量上等待(①)。如果發(fā)送緩沖區(qū)未滿，用戶任務向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)(②)。如果寫入的是發(fā)送緩沖區(qū)中的第一個字節(jié)，則允許發(fā)送中斷(②)。然后，發(fā)送ISR從發(fā)送緩沖區(qū)中取出最早寫入的字節(jié)輸出至UART(④)，這個操作又觸發(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)中最后一個字節(jié)被取走，重新關閉發(fā)送中斷。在ISR向UART輸出的同時，給信號量發(fā)信號(⑤)，發(fā)送任務據(jù)此信號量計數(shù)值來了解發(fā)送緩沖區(qū)中是否有空間。
3 串口通信模塊的設計
每個串行端口有兩個環(huán)狀隊列緩沖區(qū)，同時有兩個信號量：一個用來指示接收字節(jié)，另一個用來指示發(fā)送字節(jié)。每個環(huán)狀緩沖區(qū)有以下四個要素：
◇存儲數(shù)據(jù)(INT8U數(shù)組)；
◇包含環(huán)狀緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)的計數(shù)器；
◇環(huán)狀緩沖區(qū)中指向將被放置的下一字節(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（）用來獲取接收到的數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)已空時將任務掛起，接收到字節(jié)時，任務將被喚醒，同時從串行口接收字節(jié)。SerialPutRxChar()用來將接收的字節(jié)放到緩沖區(qū)中，如果接收緩沖區(qū)已滿，則該字節(jié)被丟棄。當字節(jié)插入到緩沖區(qū)中，SerialPutRxChar()通知數(shù)據(jù)接收信號量，使之將數(shù)據(jù)己到的消息傳達給所有等待的任務。為防止掛起應用任務，可以通過調用SceiallsEmPty()去發(fā)現(xiàn)環(huán)狀隊列中是否有字節(jié)。
圖4是發(fā)送數(shù)據(jù)模塊的流程圖。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)給串行端口時，SerialPurChar()等待信號量在初始化發(fā)送信號量時應該初始為緩沖區(qū)的大小。因此，當緩沖區(qū)中沒有更多空間時，SerialPutChar()就掛起任務，只要UART再次發(fā)送字節(jié)，掛起任務就將恢復。SerialGctChar()被中斷服務程序調用，如果發(fā)送緩沖區(qū)至少還有一個字節(jié)，Seri-a1GetChar()就返回一個從緩沖區(qū)發(fā)送的字節(jié)。如果緩沖區(qū)己空，則SerialGetChar()返回Null，這將使調用停止進一步的發(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)
應用任務可以通過如下的幾個函數(shù)來控制和訪問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前，必須先調用該函數(shù)，包括確定波特率、比特數(shù)、奇偶校驗和停止位等。
SerialGetChar()使應用程序從接收數(shù)據(jù)的環(huán)狀緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)。
SerialInit()用于初始化整個串口軟件模塊，且必須在該模塊提供的其他任何服務前調用。SeriallInit()將環(huán)狀緩沖區(qū)計數(shù)器的字節(jié)數(shù)清零，并初始化每個環(huán)狀緩沖區(qū)的IN和OUT指針，指向數(shù)據(jù)存儲區(qū)的開始處。數(shù)據(jù)接收信號量初始化為0，表示在環(huán)狀緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)。用傳送緩沖區(qū)大小初始化數(shù)據(jù)傳送信號量，表示緩沖區(qū)已空。
SerialIsEmpty()允許應用程序確定是否有字節(jié)從串口接收進來。本函數(shù)允許在無數(shù)據(jù)時避免將任務掛起。
SerialIsFull()允許應用程序確定傳送環(huán)狀緩沖區(qū)的狀態(tài)，本函數(shù)可以在緩沖區(qū)已滿時避免將任務掛起。
SerialPutChar()允許應用程序向一個串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)。
結 語
該串口通信模塊充分利用了實時內核的任務調度功能和信號量機制，系統(tǒng)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(tǒng)中，系統(tǒng)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(wěn)定，提高了整個系統(tǒng)的運行效率和實時性。
------------
關于μC/OS-II系列軟件版權的說明
Micrium 公司產品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應用方面的產品，并對其軟件擁有知識產權。Micrium花費了大量的時間和財力為嵌入式領域提供高質量的軟件產品。所有上述產品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產品不是免費軟件，也不是開放源碼的軟件，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放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。
開發(fā)和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個人和學校學習使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關的商業(yè)目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產品的商業(yè)授權，包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設計，教學設備和最終的產品，如果沒有得到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的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網站（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 等的銷售模式與μC/OS-II不同，如果沒有購買使用授權，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產品的設計，培訓，教學和生產。
μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權方式有：單個產品、產品線（系列）、按照CPU 劃分的產品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數(shù)目收取費用的，相對起傳統(tǒng)的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發(fā)費用和每塊單板的使用費（根據(jù)數(shù)量從數(shù)百到幾個美圓），μC/OS-II及系列產品是采用一次性的收費方式，應該只是大約相當于傳統(tǒng)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品，您需要購買并獲得正式使用授權。
北京麥克泰軟件技術有限公司
評論