ARM是目前嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，以低成本、低功耗、高性能的特點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。STM32F103VB是基于ARM新內(nèi)核Cortex-M3的通用微處理器，STM32V評估板是基于該芯片的學(xué)習(xí)板并集成了仿真調(diào)試器（Ulink_Me），可以方便用戶快速學(xué)習(xí)和開發(fā)用戶程序。目前常見的嵌入式系統(tǒng)有：WinCE、Linux、pSoS、VxWorks和μC／OS-II等。μC／OS-Ⅱ是專門為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的，具有源碼公開、實時性好、可移植裁剪、高效穩(wěn)定和教學(xué)科研免費使用等特點，已經(jīng)成功移植到8、16、32和64位等多種微處理器上，廣泛應(yīng)用于照相攝影、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人控制、發(fā)動機(jī)控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機(jī)等眾多領(lǐng)域。這里以STM32V評估板為硬件開發(fā)平臺，結(jié)合μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計了基于信號量、消息郵箱的串口通信應(yīng)用程序。

1 信號量、消息郵箱

μC／OS-II由事件（Event）驅(qū)動，一般事件包括信號量（Semaphores）、互斥信號量（Mutex semaphores）、消息郵箱（Message Mail boxes）、消息隊列（Message Query）、事件標(biāo)志組（Event Flag Group）等。其中信號量和消息郵箱作為一種常見的通信機(jī)制，在數(shù)據(jù)通信過程中應(yīng)用最為廣泛。

1．1 信號量（Semaphores）

μC／OS-II的信號量由2部分組成：一個是信號的計數(shù)值（0～65 535）；另一個是由等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)列表。信號量可用于以下場合：允許一個任務(wù)與其他任務(wù)或中斷同步；取得共享資源的使用權(quán)（滿足互斥條件）；標(biāo)志事件的發(fā)生。

對信號量一般可以實施以下3種操作：初始化（INITIALIZE）信號量或者稱為創(chuàng)建信號量（CREATE）；等待信號量（WAIT）或者稱為掛起信號量（PEND）；發(fā)送信號量（POST）。

信號量在初始化過程中需要給信號量賦初值，等待信號量的任務(wù)表（WAWING LIST）應(yīng)清為空。信號量的使用需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)并配置其相關(guān)的宏定義，具體如表1所示。

1．2 消息郵箱（Message Mail boxes）

消息郵箱能使任務(wù)或中斷服務(wù)向另外一個任務(wù)發(fā)送一個指針型的變量，這個指針指向一個包含指定“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息郵箱發(fā)送的不是消息本身，而是消息的地址指針。

消息郵箱可用于通知一個事件發(fā)生或作為二值信號量使用。消息郵箱的工作原理是郵箱在初始化時建立一個等待消息的任務(wù)列表，當(dāng)郵箱為空時，等待消息的任務(wù)就掛起，并且被加入到等待消息的任務(wù)列表中。當(dāng)郵箱收到消息時，等待任務(wù)列表中優(yōu)先級最高的任務(wù)或者最先等待消息的任務(wù)得到消息，且轉(zhuǎn)入就緒并從任務(wù)列表中清除。

對消息郵箱的操作一般有3種：郵箱初始化（INITIALIZE），或者稱為建立郵箱（CREATE）；發(fā)送消息給郵箱（POST）；等待消息進(jìn)入郵箱（PE-ND）；無等待請求郵箱消息（ACCEFT）。

消息郵箱的使用需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)并配置其相關(guān)的宏定義，具體如表2所示。

2 硬件開發(fā)設(shè)計

2．1 硬件開發(fā)平臺

以STM32V評估板為硬件開發(fā)平臺，該評估板采用ST公司32位ARM微處理器STM32F103VB，該芯片最大時鐘頻率72 MHz，內(nèi)置大容量存儲器包括128 KB的高速Flash和20 K的SRAM，豐富的外設(shè)接口：80個高速I／O接口，3個USART，2個I2C，2個SPI，7通道的DMA，RTC等。STM32V開發(fā)板將這些外設(shè)接口全部引出，自帶LCD液晶顯示并集成調(diào)試工具，用戶可方便設(shè)計、調(diào)試和查看程序運行結(jié)果等。評估板功能模塊組成如圖1所示，主要包括以下部分：模擬輸入信號部分、跳線配置、USB電源供給、液晶顯示、串口通信、CAN通信、復(fù)位／輸入按鈕、LED顯示和SD卡存儲。

2．2 通信電路

計算機(jī)與外界的信息交換稱為通信。通信基本方式分為串行通信和并行通信兩種。串行通信是指一個數(shù)據(jù)是逐位順序傳送的通信方式，串行通信有同步和異步兩種基本的通信方式。

其中，同步通信是通過同步時鐘來實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的同步。而異步通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式，即每個數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳送。每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。依據(jù)起始位在每個字符數(shù)據(jù)開始時使發(fā)送和接收同步，停止位則作為字符結(jié)束的標(biāo)志。

PC機(jī)的串行通信接口采用的是EIA RS-232E標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議。在本設(shè)計中，主控芯片STM32F103VB的接口采用TTL電平，規(guī)定0～0．8 V為“0”電平，2～5V為“1”電平，它不能直接與PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口連接，必須設(shè)計TTL電平到RS-232協(xié)議電平信號的轉(zhuǎn)換電路。串口RS-232電平與STM32F103VB微處理器TTL電平轉(zhuǎn)換由開發(fā)板上的ST3232完成，接口電路如圖2所示。

3 軟件開發(fā)設(shè)計

選擇RealView MDK軟件作為開發(fā)工具，它是針對各種嵌入式處理器開發(fā)的軟件開發(fā)工具。與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器可將代碼密度提高10％，性能改善20％，并且支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器。編程語言可以使用C或者C++語言，支持在線調(diào)試。

嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ可以管理256個任務(wù)，除了系統(tǒng)任務(wù)外，用戶應(yīng)用程序最多可以有248個任務(wù)，而中斷嵌套的層數(shù)最多也可以到255層。任務(wù)創(chuàng)建過程包含了任務(wù)堆棧大小的設(shè)置、優(yōu)先級分配以及在通信或保持同步過程中使用的信號量和郵箱。在STM32V評估板上通過RS232接口實現(xiàn)了評估板與PC機(jī)的通信，軟件設(shè)計流程如圖3所示，在完成相應(yīng)的初始化之后，創(chuàng)建程序設(shè)計中用到的信號量和消息郵箱，緊接著需要創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)，最后啟動系統(tǒng)。

由該流程圖可以看出：本程序設(shè)計中創(chuàng)建了4個任務(wù)，即LED顯示任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務(wù)。每一個任務(wù)都要有相應(yīng)的優(yōu)先級和任務(wù)堆棧空間，程序設(shè)計中每個任務(wù)的堆棧空間為512個字節(jié)，優(yōu)先級依次為11，13，4，6。

ST公司用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C封裝了ARM微處理器中各個功能寄存器，為用戶應(yīng)用程序的開發(fā)提供了豐富的固件庫（Firmware）。固件庫方便用戶對底層微處理器外設(shè)進(jìn)行初始化配置，如串口初始化函數(shù)為void USARTConfigurtion（void），具體代碼如下：

初始化操作包括了時鐘初始化、中斷初始化，I／O接口初始化，串口初始化等。主程序在完成初始化操作后創(chuàng)建信號量、消息郵箱和任務(wù)創(chuàng)建。由于信號量、郵箱都是事件類型，所以需用OS_EV-ENT來定義，信號量、郵箱的建立由函數(shù)App_EventCreate（）完成。

使用信號量和消息郵箱可以保持任務(wù)之間的通信的同步，串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)App_TaskSendata（void-*p_arg）發(fā)送信號量App_UserIFSem通知數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務(wù)App_TaskSendata Ctrl（void*p_arg），數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務(wù)在接收到信號量App_User IFSem后，發(fā)送消息（www．Real Vie-w．com＼n）給指定郵箱App_UserIFMbox，串口調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)USART_Send Data（），串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送通知信號量App_ UserIFSeml給數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務(wù)，數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務(wù)在接收到發(fā)送完成信號量App_UserIFSeml后，向指定郵箱發(fā)送另一則消息（www．xust． edu．cn＼n），數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)在接收到消息郵箱后通過串口發(fā)送接收到的消息內(nèi)容給PC機(jī)。具體代碼如下：

圖4為串口通信波特率設(shè)定為9 600 bps和115 200 bps時，在串口小助手中觀察到的程序運行后的測試結(jié)果，結(jié)果表明程序按照預(yù)先設(shè)定好的發(fā)送要求不斷向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且通信穩(wěn)定，在測試過程中未出現(xiàn)亂碼和通信異常中斷情況，程序設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。通常在工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用中需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，一般都需要在?shù)據(jù)的發(fā)送和接收端對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗，常見的數(shù)據(jù)校驗算法是CRC校驗，可以采用8或16位的CRC校驗方式。在該通信過程中并未使用校驗算法來檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?，若在?shù)據(jù)傳輸過程中添加相應(yīng)的CRC校驗算法，就可以最大程度地減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在后期的研究學(xué)習(xí)中也可以嘗試將其應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場以測試其工作的可靠性。

4 結(jié)論

本文以STM32V評估板為硬件開發(fā)平臺，結(jié)合μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)中信號量和消息郵箱，設(shè)計了基于信號量、消息郵箱的串口通信應(yīng)用程序，并通過實驗驗證了該串口應(yīng)用程序在保證任務(wù)間通信同步情況下，數(shù)據(jù)傳輸具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到了程序設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。