uCOS-II的嵌入式串口通信模塊設(shè)計

1 uCOS-II的中斷處理及51系列單片機中斷系統(tǒng)分析
uCOS-II中斷服務(wù)程序(ISR)一般用匯編語言編寫。以下是中斷服務(wù)程序的步驟。

1. 保存全部CPU寄存器；調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting(全局變量)直接加1；
2. 執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)；
3. 調(diào)用OSIntExit()；
4. 恢復(fù)所有CPU寄存器；
5. 執(zhí)行中斷返回指令。

uCOS-II提供兩個ISR與內(nèi)核接口函數(shù)；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知uCOS-II核，中斷服務(wù)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(wù)調(diào)度。另一個接口函數(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（可能是一個任務(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(yīng)的中斷號運行準(zhǔn)確的服務(wù)程序。許多實時操作系統(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uCOS-II內(nèi)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(guān)，接下來以51單片機下的中斷處理對此詳細(xì)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(biāo)志，而在下一指令周期將對采樣的中斷進(jìn)行查詢。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(yīng)中斷時，先置相應(yīng)的優(yōu)先級激活觸發(fā)器于相應(yīng)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(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，把響應(yīng)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(hù)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。Keil C5l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uCOS-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)動程序
筆者已在5l單片機上成功移植了uCOS-II內(nèi)核，移植過程在此不再討論。這里重點分析uC0S—II內(nèi)核下串口驅(qū)動程序編寫。
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(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(yīng)用中，需要從內(nèi)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(jié)構(gòu)。
uCOS-II內(nèi)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(jìn)行同步。串口的操作模式如下：用戶任務(wù)想寫，但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務(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，用戶任務(wù)想讀，但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于uCOS-II的信號量提供了超時等待機制，串口當(dāng)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(wù)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(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。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(yīng)合理設(shè)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(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，用戶任務(wù)在信號量上等待(①)。如果發(fā)送緩沖區(qū)未滿，用戶任務(wù)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(guān)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(wù)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。