STM32单线串口通讯实战（五）：RTOS架构 —— 线程安全与零拷贝设计

如果说裸机开发是在“走钢丝”，小心翼翼地平衡各个模块的时间片；那么 RTOS（实时操作系统）就是给了你“分身术”。

在 STM32G0 这种资源受限（RAM 可能只有 8KB-36KB）的 MCU 上跑 RTOS，处理高速单线串口，我们必须解决三大难题：

1. 资源竞争：两个任务同时想发串口，总线谁说了算？

2. 实时响应：数据来了，如何最快唤醒处理任务？

3. 内存效率：不要在队列里反复拷贝数据（Memcpy is evil），要用“零拷贝”。

本章将基于 CMSIS-RTOS2 标准接口（底层通常是 FreeRTOS），带你构建一个企业级的单线通讯架构。

1. 架构总览：生产者-消费者模型

在 RTOS 下，我们不再写一个巨大的 while(1)。我们将系统拆分为三个核心角色：

• ISR (中断服务)：生产者 A。负责接收硬件原始数据，不做逻辑，只发信号。

• Protocol Task (协议任务)：消费者。高优先级，被 ISR 唤醒，解析数据包。

• App Task (业务任务)：生产者 B。低优先级，负责发起发送请求。

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2. 核心机制 I：同步与快速唤醒 (Thread Flags)

在裸机中，我们轮询标志位。在 RTOS 中，我们使用 事件标志 (Thread Flags) 或 信号量 (Semaphore)。 推荐：使用 osThreadFlagsSet。比信号量更轻量，且可以直接指定唤醒哪个任务。

代码实战：ISR 唤醒协议任务

/* 定义接收任务 ID */
osThreadId_t tid_Protocol;

/* 串口中断服务函数 (ISR) */
void USART1_IRQHandler(void)
{
    // ... 前面的 IDLE 判断逻辑 (参考第二章) ...

    if (is_idle_detected)
    {
        // 1. 停止 DMA (或记录当前位置)
        // 2. 发送信号给协议任务，参数 0x01 是自定义标志位
        osThreadFlagsSet(tid_Protocol, 0x01); 
        
        // 3. 强制上下文切换 (让高优先级任务立刻执行)
        portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

3. 核心机制 II：资源保护 (Mutex)

单线串口是 半双工 的。这就意味着“总线”是一个 临界资源 (Critical Resource)。 如果 任务 A 正在发送“开灯”指令的前半段，任务 B 突然切进来发送“关窗”指令，总线上的波形就变成了乱码，且 GPIO 方向切换会冲突。

解决方案：必须使用 互斥锁 (Mutex)。

为什么不用二值信号量？

• 优先级翻转 (Priority Inversion)：Mutex 具有“优先级继承”机制，能防止低优先级任务持有锁时被中优先级任务卡死，导致高优先级任务一直等不到锁。

代码实战：线程安全的发送函数

/* 定义互斥锁 ID */
osMutexId_t SingleWire_Mutex_ID;

/* 初始化 */
void Bus_Init(void) {
    SingleWire_Mutex_ID = osMutexNew(NULL); // 创建互斥锁
}

/* 线程安全的发送接口 (任意任务均可调用) */
int32_t SingleWire_Send_Safe(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    osStatus_t status;
    
    // 1. 申请锁 (等待 100ms，拿不到就放弃)
    status = osMutexAcquire(SingleWire_Mutex_ID, 100);
    if (status != osOK) return -1; // 总线忙
    
    // ---------------- 临界区开始 ----------------
    
    // 2. 硬件切发送
    UART_ENTER_TX_MODE();
    
    // 3. DMA 发送
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data, len);
    
    // 4. 等待发送完成 (使用信号量或标志位挂起等待，不要死等!)
    // 这里假设我们在 TC 中断里发了一个 flag
    osThreadFlagsWait(0x02, osFlagsWaitAny, 50); 
    
    // 5. 硬件切接收 (防止 Echo)
    UART_ENTER_RX_MODE();
    
    // ---------------- 临界区结束 ----------------
    
    // 6. 释放锁
    osMutexRelease(SingleWire_Mutex_ID);
    
    return 0;
}

4. 核心机制 III：零拷贝 (Zero-Copy) 与内存池

STM32G0 的 RAM 很宝贵。如果 ISR 收到了 256 字节数据：

1. Copy 到 Queue。

2. Task 从 Queue Copy 出来。 这是极大的浪费！

解决方案：Memory Pool (内存池) + Message Queue (指针队列)。 ISR 只把数据的 指针 扔进队列，Task 读指针直接访问 DMA 缓冲区。

方案设计

由于我们使用的是 DMA Circular Buffer，数据已经在 RAM 里了。

• 简单做法：直接传递 RingBuffer 的 Start_Index 和 Length。

• 消息结构体：

typedef struct {
    uint16_t start_idx; // 数据在环形缓冲区的起始位置
    uint16_t len;       // 数据长度
    uint32_t timestamp; // 接收时间戳
} UART_Event_t;

/* 定义消息队列 */
osMessageQueueId_t UART_Queue_ID;

/* 协议处理任务 */
void Task_Protocol(void *argument)
{
    UART_Event_t event;
    uint8_t *pRealData;
    
    while (1)
    {
        // 1. 挂起等待消息 (从 ISR 发来的)
        // 这里的 &event 只是接收了几个字节的结构体，而不是 Payload
        osMessageQueueGet(UART_Queue_ID, &event, NULL, osWaitForever);
        
        // 2. 核心：通过索引直接定位 DMA Buffer，无需拷贝
        // 注意处理环形回卷 (Wrap-around)
        Process_RingBuffer_Data(event.start_idx, event.len);
    }
}

5. RTOS 常见问题

5.1 栈溢出 (Stack Overflow)

• printf 和 DMA 回调是栈溢出的重灾区。

• 建议：协议任务分配 256-512 Bytes 栈空间（根据 Parse 函数深度）；osMutex 相关操作不占栈。

5.2 低功耗 (Tickless Mode)

如果你的设备是电池供电，RTOS 的 Tick 会让 CPU 无法深度休眠。

• 在 STM32G0 上，配合 LPUART（低功耗串口），可以在 Stop Mode 下通过地址匹配唤醒。

• 策略：当 Task_Protocol 没事干挂起时，RTOS 进入 IDLE 任务，调用 __WFI()。但要注意 DMA 传输期间不能进入 Stop Mode（DMA 需要时钟），可以使用 osKernelLock() 或特定的电源管理锁。

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本专栏系列总结

通过这五章内容，我们完成了一次从“电线”到“操作系统”的完整技术栈构建：

1. 物理层：看懂了原理图，学会了用 STM32G0 的 HDSEL 和 Open-Drain 避坑硬件连接。

2. 链路层：掌握了 DMA Circular + IDLE 的黄金接收方案，解决了收发切换的时序痛点。

3. 协议层：设计了包含 Header/Len/CRC 的 Mini-Frame，并利用 9-bit 模式实现了硬件地址过滤。

4. 裸机架构：用状态机 (FSM) 实现了非阻塞的前后台系统。

5. RTOS 架构：用 Mutex 保护总线，用 Thread Flags 和 Queue 实现了高效的线程通信。