uCOSII的嵌入式串口通信模块设计文档格式.docx

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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。

保存全部CPU寄存器；

调用OSIntEnter（）或OSIntNesting（全局变量）直接加1；

执行用户代码做中断服务；

调用OSIntExit（）；

恢复所有CPU寄存器；

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KeilC51作为编译环境。

KeilC5l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

CLREA；

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

Serial；

串口中断服务程序

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。

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。