在嵌入式  

應用中，使用RTOS的主要原因是為了提高系統的可靠性，其次是提高開發效率、縮短開發周期。μC／OS-II是一個占先式實時多任務內核，使用對象是嵌入式系統，對源代碼適當裁減，很容易移植到8~32位不同框架的微處理器上。但μC／OS-II僅是一個實時內核，它不像其他實時操作系統(如嵌入式Linux)那樣提供給用戶一些API函數接口。在μC／OS-II實時內核下，對外設的訪問接口沒有統一完善，有很多工作需要用戶自己去完成。串口通信是單片機測控系統的重要組成部分，異步串行口是一個比較簡單又很具代表性的中斷驅動外設。本文以單片機中的串口為例，介紹μC／OS—II下編寫中斷服務程序以及外設驅動程序的一般思路。  

       1 μC／OS-II的中斷處理及51系列單片機中斷系統分析  
       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；  
       執行用戶代碼做中斷服務；  
       調用0SIntExit()；  
       恢復所有CPU寄存器；  
       執行中斷返回指令。  
       μC／OS-II提供兩個ISR與內核接口函數；OSIntEnter（）和OSIntExit（）。OSIntEnter（）通知μC／OS—II核，中斷服務程序開始了。事實上，此函數做的工作是把一個全局變量OSIntNesting加1，此中斷嵌套計數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OSIntExit（）則通知內核，中斷服務已結束。根據相應情況，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，以便中斷發生后，CPU根據相應的中斷號運行準確的服務程序。許多實時操作系統都提供了安裝和卸載中斷服務程序的API接口函數，但μC／OS—II內核沒有提供類似的接口函數，需要用戶在對CPU的移植中自己實現。這些接口函數與具體的硬件環境有關，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，則按照優先級高低的原則進行處理。響應中斷時，先置相應的優先級激活觸發器于相應位，封鎖同級或低級中斷，然后根據中斷源類別，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，轉向執行中斷服務程序．當執行中斷返回指令RETI時，把響應中斷時所置位的優先級激活觸發器清零后，從堆棧中彈  
出被保護的斷點地址，裝入程序計數器PC，CPU返回原來被中斷處繼續執行程序。  
       在移植的過程中，采用Keil C51作為編譯環境。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．向串口發送數據時，只要把數據寫到緩沖區中，然后由串口逐個取出往外發。從串口接收數據時，往往等收到若干個字節后才需要CPU進行處理，所以這些預收的數據可以先存于緩沖區中。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，分別為接收緩沖區和發送緩沖區。這里把緩沖區定義為環形隊列的數據結構。  
       μC／OS-II內核提供了信號量作為通信和同步的機制，引入數據接收信號量、數據發送信號量分別對緩沖區兩端的操作進行同步。串口的操作模式如下：用戶任務想寫，但緩沖區滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務，待ISR從緩沖區讀走數據后喚醒此睡眠的任務；同樣，用戶任務想讀，但緩沖區空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設備有數據來了再喚醒。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是帶緩沖區和信號量的串口接收示意圖。數據接收信號量初始化為0，表示在環形緩沖區中無數據。

       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(②)，放入接收緩沖區(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中當前字節數的變量值，此變量表明接收緩沖區是否已滿。UART收到數據并觸發了接收中斷，但如果此時緩沖區是滿的，那么放棄收到的字符。緩沖區的大小應合理設置，降低數據丟失的可能性，又要避免存儲空間的浪費。
       圖2為帶環形緩沖區和超時信號量的串口發送示意圖。發送信號量初始值設為發送緩沖區的大小，表示緩沖區已空，并且關閉發送中斷。發送數據時，用戶任務在信號量上等待(①)。如果發送緩沖區未滿，用戶任務向發送緩沖區中寫入數據(②)。如果寫入的是發送緩沖區中的第一個字節，則允許發送中斷(②)。然后，發送ISR從發送緩沖區中取出最早寫入的字節輸出至UART(④)，這個操作又觸發了下一次的發送中斷，如此循環直到發送緩沖區中最后一個字節被取走，重新關閉發送中斷。在ISR向UART輸出的同時，給信號量發信號(⑤)，發送任務據此信號量計數值來了解發送緩沖區中是否有空間。
 

       3 串口通信模塊的設計
       每個串行端口有兩個環狀隊列緩沖區，同時有兩個信號量：一個用來指示接收字節，另一個用來指示發送字節。每個環狀緩沖區有以下四個要素：
       ◇存儲數據(INT8U數組)；
       ◇包含環狀緩沖區字節數的計數器；
       ◇環狀緩沖區中指向將被放置的下一字節的指針；
       ◇環狀緩沖區中指向被取出的下一字節的指針。
       圖3是接收數據軟件模塊的流程圖。SerialGetehar（）用來獲取接收到的數據，如果緩沖區已空時將任務掛起，接收到字節時，任務將被喚醒，同時從串行口接收字節。SerialPutRxChar()用來將接收的字節放到緩沖區中，如果接收緩沖區已滿，則該字節被丟棄。當字節插入到緩沖區中，SerialPutRxChar()通知數據接收信號量，使之將數據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()去發現環狀隊列中是否有字節。
 

       圖4是發送數據模塊的流程圖。當需要發送數據給串行端口時，SerialPurChar()等待信號量在初始化發送信號量時應該初始為緩沖區的大小。因此，當緩沖區中沒有更多空間時，SerialPutChar()就掛起任務，只要UART再次發送字節，掛起任務就將恢復。SerialGctChar()被中斷服務程序調用，如果發送緩沖區至少還有一個字節，Seri-a1GetChar()就返回一個從緩沖區發送的字節。如果緩沖區己空，則SerialGetChar()返回Null，這將使調用停止進一步的發送中斷，一直到有數據發送為止。
 

     4 異步串行通信的接口函數
       應用任務可以通過如下的幾個函數來控制和訪問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，包括確定波特率、比特數、奇偶校驗和停止位等。
       SerialGetChar()使應用程序從接收數據的環狀title="緩沖區" style="text-decoration:underline;color:blue">緩沖區中取出數據。
       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()將環狀緩沖區計數器的字節數清零，并初始化每個環狀緩沖區的IN和OUT指針，指向數據存儲區的開始處。數據接收信號量初始化為0，表示在環狀緩沖區無數據。用傳送緩沖區大小初始化數據傳送信號量，表示緩沖區已空。
       SerialIsEmpty()允許應用程序確定是否有字節從串口接收進來。本函數允許在無數據時避免將任務掛起。
       SerialIsFull()允許應用程序確定傳送環狀緩沖區的狀態，本函數可以在緩沖區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送數據。

       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中，系統的擴展方便，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，運行穩定，提高了整個系統的運行效率和實時性。
 
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       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目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產品的商業授權，包括芯片/單板/系統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公司和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網站上面中有明確規定。

       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目收取費用的，相對起傳統的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發費用和每塊單板的使用費（根據數量從數百到幾個美圓），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RTOS 的10-20% 的總體費用。

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