uCOS-II的嵌入式串口通信模块设计

在嵌入式应用中，使用RTOS的主要原因是为了提高系统的可靠性，其次是提高开发效率、缩短开发周期。uCOS-II是一个占先式实时多任务内核，使用对象是嵌入式系统，对源代码适当裁减，很容易移植到8~32位不同框架的微处理器上。但uCOS-II仅是一个实时内核，它不像其他实时操作系统(如嵌入式Linux)那样提供给用户一些API函数接口。在uCOS-II实时内核下，对外设的访问接口没有统一完善，有很多工作需要用户自己去完成。串口通信是单片机测控系统的重要组成部分，异步串行口是一个比较简单又很具代表性的中断驱动外设。本文以单片机中的串口为例，介绍uCOS—II下编写中断服务程序以及外设驱动程序的一般思路。

1 uCOS-II的中断处理及51系列单片机中断系统分析
    uCOS-II中断服务程序(ISR)一般用汇编语言编写。以下是中断服务程序的步骤。

1. 保存全部CPU寄存器；调用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局变量)直接加1；
2. 执行用户代码做中断服务；
3. 调用OSIntExit()；
4. 恢复所有CPU寄存器；
5.  执行中断返回指令。

    uCOS-II提供两个ISR与内核接口函数；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知uCOS-II核，中断服务程序开始了。事实上，此函数做的工作是把一个全局变量OSIntNesting加1，此中断嵌套计数器可以确保所有中断处理完成后再做任务调度。另一个接口函数OSIntExit（）则通知内核，中断服务已结束。根据相应情况，退回被中断点（可能是一个任务或者是被嵌套的中断服务程序）或由内核作任务调度。
    用户编写的ISR必须被安装到某一位置，以便中断发生后，CPU根据相应的中断号运行准确的服务程序。许多实时操作系统都提供了安装和卸载中断服务程序的 API接口函数，但uCOS-II内核没有提供类似的接口函数，需要用户在对CPU的移植中自己实现。这些接口函数与具体的硬件环境有关，接下来以51单片机下的中断处理对此详细说明。
    51单片机的中断基本过程如下：CPU在每个机器周期的S5P2时刻采样中断标志，而在下一指令周期将对采样的中断进行查询。如果有中断请求，则按照优先级高低的原则进行处理。响应中断时，先置相应的优先级激活触发器于相应位，封锁同级或低级中断，然后根据中断源类别，在硬件控制下，将中断地址压入堆栈，并转向相应的中断向量入口单元。通常在入口单元处放一跳转指令，转向执行中断服务程序．当执行中断返回指令RETI时，把响应中断时所置位的优先级激活触发器清零后，从堆栈中弹出被保护的断点地址，装入程序计数器PC，CPU返回原来被中断处继续执行程序。
    在移植的过程中，采用Keil C51作为编译环境。Keil C5l集成C编译和汇编器。中断子程序用汇编语言编写，放到移植uCOS-II后的OS_CPU_A.ASM汇编文件中。下面是以串行口中断为例的移植中断服务子程序代码。

    CSEGAT0023H ；串口中断响应入口地址
    LJMPSerialISR；转移到串口中断子程序入口地址
    RSEG？PR?SeriallSR？OS_CPU_A
    SerialISR：
    USINGO
    CLR EA ；先关中断，以防中断嵌套
    PUSHALL ；已定义的压栈宏，用于将
            ；CPU寄存器的值压入堆栈
    LCALL_?OSIntEnter ；监视中断嵌套
    LCALL_?Serial ；串口中断服务程序
    LCALL_?OSintExlt
    SETBEA
    POPALL；已定义的出栈宏，将CPU寄存器的值出栈
    RETI

2 串口驱动程序
    笔者已在5l单片机上成功移植了uCOS-II内核，移植过程在此不再讨论。这里重点分析uC0S—II内核下串口驱动程序编写。
    由于串行设备存在外设处理速度和CPU速度不匹配的问题，所以需要一个缓冲区．向串口发送数据时，只要把数据写到缓冲区中，然后由串口逐个取出往外发。从串口接收数据时，往往等收到若干个字节后才需要CPU进行处理，所以这些预收的数据可以先存于缓冲区中。实际上，单片机的异步串口中只有两个相互独立、地址相同的接收、发送缓冲寄存器SBUF。在实际应用中，需要从内存中开辟两个缓冲区，分别为接收缓冲区和发送缓冲区。这里把缓冲区定义为环形队列的数据结构。
    uCOS-II内核提供了信号量作为通信和同步的机制，引入数据接收信号量、数据发送信号量分别对缓冲区两端的操作进行同步。串口的操作模式如下：用户任务想写，但缓冲区满时，在信号量上睡眠，让CPU运行别的任务，待ISR从缓冲区读走数据后唤醒此睡眠的任务；同样，用户任务想读，但缓冲区空时，也可以在信号量上睡眠，待外部设备有数据来了再唤醒。由于uCOS-II的信号量提供了超时等待机制，串口当然也具有超时读写能力。
    图1是带缓冲区和信号量的串口接收示意图。数据接收信号量初始化为0，表示在环形缓冲区中无数据。

 
    接收中断到来后，ISR从UART的接收缓冲器SBUF中读入接收的字节(②)，放入接收缓冲区(③)，然后通过接收信号量唤醒用户任务端的读操作(④、 ①)。在整个过程中，可以查询记录缓冲区中当前字节数的变量值，此变量表明接收缓冲区是否已满。UART收到数据并触发了接收中断，但如果此时缓冲区是满的，那么放弃收到的字符。缓冲区的大小应合理设置，降低数据丢失的可能性，又要避免存储空间的浪费。

 
    图2为带环形缓冲区和超时信号量的串口发送示意图。发送信号量初始值设为发送缓冲区的大小，表示缓冲区已空，并且关闭发送中断。发送数据时，用户任务在信号量上等待(①)。如果发送缓冲区未满，用户任务向发送缓冲区中写入数据(②)。如果写入的是发送缓冲区中的第一个字节，则允许发送中断(②)。然后，发送ISR从发送缓冲区中取出最早写入的字节输出至UART(④)，这个操作又触发了下一次的发送中断，如此循环直到发送缓冲区中最后一个字节被取走，重新关闭发送中断。在ISR向UART输出的同时，给信号量发信号(⑤)，发送任务据此信号量计数值来了解发送缓冲区中是否有空间。[page]

3 串口通信模块的设计
    每个串行端口有两个环状队列缓冲区，同时有两个信号量：一个用来指示接收字节，另一个用来指示发送字节。每个环状缓冲区有以下四个要素：

• 存储数据(INT8U数组)；
• 包含环状缓冲区字节数的计数器；
• 环状缓冲区中指向将被放置的下一字节的指针；
• 环状缓冲区中指向被取出的下一字节的指针。

 
    图3是接收数据软件模块的流程图。SerialGetehar（）用来获取接收到的数据，如果缓冲区已空时将任务挂起，接收到字节时，任务将被唤醒，同时从串行口接收字节。SerialPutRxChar()用来将接收的字节放到缓冲区中，如果接收缓冲区已满，则该字节被丢弃。当字节插入到缓冲区中，SerialPutRxChar()通知数据接收信号量，使之将数据己到的消息传达给所有等待的任务。为防止挂起应用任务，可以通过调用 SceiallsEmPty()去发现环状队列中是否有字节。

 
    图4是发送数据模块的流程图。当需要发送数据给串行端口时，SerialPurChar()等待信号量在初始化发送信号量时应该初始为缓冲区的大小。因此，当缓冲区中没有更多空间时，SerialPutChar()就挂起任务，只要UART再次发送字节，挂起任务就将恢复。 SerialGctChar()被中断服务程序调用，如果发送缓冲区至少还有一个字节，Seri-a1GetChar()就返回一个从缓冲区发送的字节。如果缓冲区己空，则SerialGetChar()返回Null，这将使调用停止进一步的发送中断，一直到有数据发送为止。

4 异步串行通信的接口函数
    应用任务可以通过如下的几个函数来控制和访问UART：SerialCfgPort()、SerialGetChar()、SerialInit()、SerialIsEmpty()、SerialIsFull()和SerialPutChar()。
    SerialCfgPort()用于建立串行端口的特征，在为指定端口调用其他服务前，必须先调用该函数，包括确定波特率、比特数、奇偶校验和停止位等。
    SerialGetChar()使应用程序从接收数据的环状缓冲区中取出数据。
    SerialInit()用于初始化整个串口软件模块，且必须在该模块提供的其他任何服务前调用。SeriallInit()将环状缓冲区计数器的字节数清零，并初始化每个环状缓冲区的IN和OUT指针，指向数据存储区的开始处。数据接收信号量初始化为0，表示在环状缓冲区无数据。用传送缓冲区大小初始化数据传送信号量，表示缓冲区已空。
    SerialIsEmpty()允许应用程序确定是否有字节从串口接收进来。本函数允许在无数据时避免将任务挂起。
    SerialIsFull()允许应用程序确定传送环状缓冲区的状态，本函数可以在缓冲区已满时避免将任务挂起。
    SerialPutChar()允许应用程序向一个串行端口发送数据。

结 语
    该串口通信模块充分利用了实时内核的任务调度功能和信号量机制，系统软件模块化，可读性增强，便于修改和移植，其设计思路和方法可以很好的应用在多种情况下的测控系统中，系统的扩展方便，具有一定的借鉴作用。该串口通信模块已作为某铁路供水远程控制终端的一部分，运行稳定，提高了整个系统的运行效率和实时性。