STM32F103RCT6 -- 基于FreeRTOS 的USART1 串口通訊

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1. 在STM32F103RCT6 單片機(jī)上跑FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用串口USART1 通訊，發(fā)送 – 接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信

使用 FreeRTOS 提供的隊(duì)列（Queue）機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送

2. USART1 配置：

TX - PA9
RX - PA10
波特率：9600
數(shù)據(jù)位：8bit
校驗(yàn)位：無(wú)
停止位：1bit

數(shù)據(jù)格式：
RX: 55 AA 06 00 06 31 02 24 01 FC 80
TX: 55 AA 06 00 06 32 01 24 01 B8 70

55 AA – 幀頭
06 - 數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，不包括幀頭，不包括校驗(yàn)位
00 06 – 模塊
31 02 24-- 數(shù)據(jù)方向：從上位機(jī)（安卓LCD顯示屏）到下位機(jī)（STM32）
32 01 24-- 數(shù)據(jù)方向：從下位機(jī)（STM32）到上位機(jī)（安卓LCD顯示屏）
01 - payload 要發(fā)送的數(shù)據(jù)具體內(nèi)容
FC 80 / B8 70 – CRC 16bit 校驗(yàn)方法計(jì)算出來的，用06 00 06 31 02 24 01 使用CRC計(jì)算器可以計(jì)算出來 FC 80

CRC在線計(jì)算網(wǎng)址：

http://www.ip33.com/crc.html

3. 實(shí)現(xiàn)代碼：

#include "stm32f10x.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

#define USART1_BAUDRATE 9600
#define USART1_TX_PIN GPIO_Pin_9
#define USART1_RX_PIN GPIO_Pin_10
#define USART1_GPIO GPIOA
#define USART1_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define USART1_CLK RCC_APB2Periph_USART1

#define MODBUS_SLAVE_ADDR 0x01

#define RX_BUF_SIZE    15
#define TX_BUF_SIZE     15

static QueueHandle_t rx_queue;
static QueueHandle_t tx_queue;
static TaskHandle_t task_handle;

void USART1_Init() {
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // Enable clocks
    RCC_APB2PeriphClockCmd(USART1_CLK | USART1_GPIO_CLK, ENABLE);

    // Configure USART1 pins
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART1_TX_PIN | USART1_RX_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(USART1_GPIO, &GPIO_InitStructure);

    // Configure USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = USART1_BAUDRATE;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // Enable USART1 interrupts
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    // Enable USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // Initialize queues
    rx_queue = xQueueCreate(RX_BUF_SIZE, sizeof(uint8_t));
    tx_queue = xQueueCreate(TX_BUF_SIZE, sizeof(uint8_t));

    // Create task for handling USART1 data
    xTaskCreate(USART1_Task, "USART1 Task", 1024, NULL, 1, &task_handle);
}

void USART1_Task(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // Wait for data to be received
        uint8_t data;
        while (xQueueReceive(rx_queue, &data, portMAX_DELAY) == pdFALSE);

        // Process received data here
        // ...

        // Send response data
        uint8_t resp_data[] = {MODBUS_SLAVE_ADDR, /* response data */};
        uint16_t resp_len = sizeof(resp_data) / sizeof(uint8_t);
        xQueueSend(tx_queue, resp_data, resp_len * sizeof(uint8_t));
    }
}

void USART1_IRQHandler(void) {
    portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        xQueueSendFromISR(rx_queue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
    }

    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET) {
        uint8_t data;
        if (xQueueReceiveFromISR(tx_queue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken) == pdTRUE) {
            USART_SendData(USART1, data);
        } else {
            USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);
        }
    }

    portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

int main(void) {
    // Initialize USART1
    USART1_Init();

    // Start the scheduler
    vTaskStartScheduler();
}

在代碼中，首先使用 USART1_Init 函數(shù)初始化 USART1，并使用 FreeRTOS 提供的 xQueueCreate 函數(shù)創(chuàng)建兩個(gè)隊(duì)列，一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)。然后使用 xTaskCreate 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)（USART1_Task），用于處理 USART1 數(shù)據(jù)。在任務(wù)中，使用 xQueueReceive 函數(shù)不斷等待接收數(shù)據(jù)，并使用 xQueueSend 函數(shù)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。在 USART1_IRQHandler 中，使用 xQueueSendFromISR 和 xQueueReceiveFromISR 函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)加入相應(yīng)的隊(duì)列中，并啟用或禁用 USART1 的 TXE 中斷來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。

需要注意的是，在任務(wù)和中斷中使用的隊(duì)列必須定義為全局變量，以避免在棧上分配空間時(shí)出現(xiàn)問題。另外，由于 FreeRTOS 使用了搶占式調(diào)度方式，因此在任務(wù)和中斷中使用的隊(duì)列必須具有線程安全性，否則可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者死鎖等問題。

其中：

1.

portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

portBASE_TYPE 是 FreeRTOS 中定義的一個(gè)數(shù)據(jù)類型，用于表示任務(wù)調(diào)度器是否需要進(jìn)行任務(wù)切換。在 FreeRTOS 中，任務(wù)調(diào)度器采用搶占式策略來決定下一次執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要讓出 CPU 時(shí)間時(shí)，會(huì)向任務(wù)調(diào)度器發(fā)送一個(gè)任務(wù)切換請(qǐng)求，請(qǐng)求調(diào)度器立即切換到較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

在 ISR 中使用 portBASE_TYPE 變量是為了確保中斷服務(wù)程序能夠安全地與任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行交互，以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和死鎖等問題。在 ISR 中聲明和初始化一個(gè)名為 xHigherPriorityTaskWoken 的變量，用于指示是否需要通知任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行任務(wù)切換。如果變量被設(shè)置為 pdTRUE，則表明當(dāng)前中斷服務(wù)程序結(jié)束后需要調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)以切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；如果變量被設(shè)置為 pdFALSE，則表明系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行任務(wù)切換，可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。

當(dāng)在 ISR 中完成隊(duì)列操作或其他可能導(dǎo)致任務(wù)切換的操作時(shí)，應(yīng)該及時(shí)更新 xHigherPriorityTaskWoken 變量的值，以確保任務(wù)調(diào)度器能夠及時(shí)響應(yīng)任務(wù)切換請(qǐng)求。同時(shí)，在結(jié)束 ISR 之前，也應(yīng)該調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)來通知任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行任務(wù)切換，以確保多任務(wù)處理的正確性和穩(wěn)定性。

2.

 if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        xQueueSendFromISR(rx_queue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
    }

這段代碼是在 USART1 的中斷服務(wù)程序（IRQHandler）中處理 USART1 的接收中斷（USART_IT_RXNE）的。

當(dāng) USART1 接收到新的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)觸發(fā) USART1 的接收中斷。在中斷服務(wù)程序中，我們首先檢查 RXNE（RX not empty）標(biāo)志位是否被置位，如果被置位，則表明有新的數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到了。接著，我們調(diào)用 USART_ReceiveData 函數(shù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寄存器中讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將其放入接收隊(duì)列（rx_queue）中。

需要注意的是，在中斷服務(wù)程序中，我們需要使用 xQueueSendFromISR 函數(shù)來往隊(duì)列中發(fā)送數(shù)據(jù)，而不能使用常規(guī)的 xQueueSend 函數(shù)。這是因?yàn)樵谥袛喾?wù)程序中調(diào)用隊(duì)列操作函數(shù)時(shí)，需要確保線程安全性，以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和死鎖等問題。同時(shí)，我們還需聲明和初始化一個(gè)名為 xHigherPriorityTaskWoken 的變量，用來指示是否需要在中斷服務(wù)程序結(jié)束后調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)以切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

總之，這段代碼用于在 USART1 中斷服務(wù)程序中處理接收中斷，其中涉及到了隊(duì)列和線程安全相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

3.

 if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET) {
        uint8_t data;
        if (xQueueReceiveFromISR(tx_queue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken) == pdTRUE) {
            USART_SendData(USART1, data);
        } else {
            USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);
        }
    }

這段代碼是在 USART1 的中斷服務(wù)程序（IRQHandler）中處理 USART1 的發(fā)送中斷（USART_IT_TXE）的。

當(dāng) USART1 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寄存器空（TXE=1）時(shí)，會(huì)觸發(fā) USART1 的發(fā)送中斷。在中斷服務(wù)程序中，我們首先檢查 TXE 標(biāo)志位是否被設(shè)置，如果被設(shè)置，則表明數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寄存器已經(jīng)準(zhǔn)備好接受新的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

接著，我們嘗試從發(fā)送隊(duì)列（tx_queue）中取出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并使用 USART_SendData 函數(shù)將其發(fā)送出去。如果隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要禁用 USART1 的 TXE 中斷，以避免不必要的中斷響應(yīng)。

需要注意的是，在中斷服務(wù)程序中，我們需要使用 xQueueReceiveFromISR 函數(shù)來從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，而不能使用常規(guī)的 xQueueReceive 函數(shù)。這是因?yàn)樵谥袛喾?wù)程序中調(diào)用隊(duì)列操作函數(shù)時(shí)，需要確保線程安全性，以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和死鎖等問題。同時(shí)，我們還需聲明和初始化一個(gè)名為 xHigherPriorityTaskWoken 的變量，用來指示是否需要在中斷服務(wù)程序結(jié)束后調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)以切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

總之，這段代碼用于在 USART1 中斷服務(wù)程序中處理發(fā)送中斷，其中涉及到了隊(duì)列和線程安全相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

4.

portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);

portEND_SWITCHING_ISR 是 FreeRTOS 提供的一個(gè)函數(shù)，用于結(jié)束 ISR 并檢測(cè)是否需要任務(wù)切換。在中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí)，我們需要根據(jù)變量 xHigherPriorityTaskWoken 的值來決定是否進(jìn)行任務(wù)切換。

如果 xHigherPriorityTaskWoken 被設(shè)置為 pdTRUE，則表明當(dāng)前中斷服務(wù)程序結(jié)束后需要調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)以切換到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；如果 xHigherPriorityTaskWoken 被設(shè)置為 pdFALSE，則表明系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行任務(wù)切換，可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。

當(dāng)需要進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)，我們調(diào)用 portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)將控制權(quán)交回給任務(wù)調(diào)度器，并讓調(diào)度器立即執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。具體來說，portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)會(huì)使用 pendSV 任務(wù)向處理器發(fā)送一個(gè)軟件中斷信號(hào)，觸發(fā)任務(wù)切換流程。在此過程中，調(diào)度器會(huì)檢查所有任務(wù)的狀態(tài)，并根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片和阻塞狀態(tài)等因素來決定下一次執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)。

總之，portEND_SWITCHING_ISR 函數(shù)是在中斷服務(wù)程序中用于結(jié)束 ISR 并檢測(cè)是否需要任務(wù)切換的重要函數(shù)。它可以確保所有任務(wù)得到合理的調(diào)度和執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和可靠的多任務(wù)處理。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-605266.html

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