FreeRTOS例程3-串口中断接收不定长的数据与二值信号量的使用

本文介绍STM32串口中断与FreeRTOS信号量的配合使用,详细解析串口接收与空闲中断,以及如何利用二值信号量实现串口数据接收与处理的任务同步。

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基础知识点

串口中断种类

串口中断属于STM32本身的资源,不涉及到FreeRTOS,但可与FreeRTOS配合使用。

串口接收中断

中断标志为:USART_IT_RXNE,即rx none empty,串口只要接收到数据就触发中断,如果是接收一个字符串,则每接收到一个字符就触发一次中断

串口空闲中断

中断标志为:USART_IT_IDLE,idle即空闲的意思,串口空闲时触发的中断,当然也不是说串口空闲时就一直触发中断,而实在每个连续的接收完成后,触发中断,如果是接收一个字符串,则接收完整个字符串后,触发一次中断

所以,这两个中断可以配合使用,串口接收中断实时接收数据,接受完一串数据后,空闲中断被触发,就可以对接收的一串数据分析处理了。这种方式不需要知道每次字符串的具体长度,因而可以接收不定长的串口数据

信号量

FreeRTOS中的信号量是一种任务间通信的方式,信号量包括:二值信号量、互斥信号量、计数信号量,本次只使用二值信号量。

二值信号量

二值信号量只有两种状态,可以先通俗的理解为它就是个标志,0或1。信号量用于任务间的同步,FreeRTOS是多任务系统,不同任务间可能需要某种同步关系,如串口中断接收完数据后,数据分析处理任务才能拿到数据进行分析,这就是一种同步。

信号量的基本操作有获取信号量释放信号量,例如:数据分析处理任务需要处理串口数据时,可先尝试获取信号量,若获取不到,也就是信号量是0,则先进入阻塞等待,等待超时可先跳出,之后继续尝试获取信号量。串口空闲中断接受完一串数据后,可执行释放信号量操作,这时,数据分析处理任务就可以获取到信号量,进而可以处理串口数据了,实现了串口数据接收与数据处理的同步

接下来的程序思路如下:

API函数

创建二值信号量xSemaphoreCreateBinary()

函数原型(tasks.c中):

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void )

返回值:

  • SemaphoreHandle_t:创建成功的二值信号量句柄,失败返回NULL

释放信号量xSemaphoreGive()

函数原型(tasks.c中):

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore )

参数:

  • xSemaphore:要释放的信号量句柄

返回值:

  • 释放成功返回pdPASS,失败返回errQUEUE_FULL

释放信号量(中断函数中)xSemaphoreGiveFromISR()

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                                  BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken)

参数:

  • xSemaphore:同上
  • pxHigherPriorityTaskWoken:标记退出此函数后是否需要进行任务切换

返回值:

  • 同上

获取信号量xSemaphoreTake()

函数原型(tasks.c中):

BaseType_t xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                           TickType_t xBlockTime)

参数:

  • xSemaphore:要释放的信号量句柄
  • xBlockTime:阻塞时间

返回值:

  • 获取成功返回pdTRUE,失败返回pdFALSE

获取信号量(中断函数中)xSemaphoreTakeFromISR()

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                                  BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken)

参数:

  • xSemaphore:同上
  • pxHigherPriorityTaskWoken:标记退出此函数后是否需要进行任务切换

返回值:

  • 同上

编程要点

串口中断与释放信号量

串口配置时记得开启两个中断。

//=======================================
//初始化IO 串口1 
//bound:波特率
//=======================================
void uart_init(u32 bound)
{
	//GPIO端口设置
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//使能USART1时钟

	//串口1对应引脚复用映射
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); //GPIOA9复用为USART1
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1); //GPIOA10复用为USART1

	//USART1端口配置
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //GPIOA9与GPIOA10
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA9,PA10

	//USART1 初始化设置
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//波特率设置
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1

	USART_Cmd(USART1, ENABLE);  //使能串口1 

	USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);
	
#if EN_USART1_RX	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启相关中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);

	//Usart1 NVIC 配置
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//串口1中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=8;//抢占优先级8
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0;		//子优先级0
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器

#endif
	
}

中断服务函数的串口空闲中断,清除标志位只能通过先读SR寄存器,再读DR寄存器清除!

中断中使用信号量释放要使用ISR结尾的函数xSemaphoreGiveFromISR,否则程序就卡住了。

//=======================================
//串口1中断服务程序
//=======================================
void USART1_IRQHandler(void)                	
{
	uint8_t data;//接收数据暂存变量
	BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;

	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断
	{
		data =USART_ReceiveData(USART1);   			
		Recv[rx_cnt++]=data;//接收的数据存入接收数组 
		
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
	} 
	
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET)//空闲中断
	{
		if(uartSemaphore!=NULL)
		{
			//释放二值信号量
			xSemaphoreGiveFromISR(uartSemaphore,&xHigherPriorityTaskWoken);	//释放二值信号量
		}
		portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);//如果需要的话进行一次任务切换
		
		data = USART1->SR;//串口空闲中断的中断标志只能通过先读SR寄存器,再读DR寄存器清除!
		data = USART1->DR;
		//USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_IDLE);//这种方式无效
	
		//rx_cnt=0;
	}
} 

获取信号量

编写一个任务来实现串口数据的获取,该任务不断尝试获取信号量,获取成功后,对数据进行处理。

获取信号量xSemaphoreTake,阻塞(等待时间)10ms,获取不到信号量则向下执行,每个任务都是一个死循环,马上又会进行信号量获取。

//打印任务函数
void print_task(void *pvParameters)
{
	int count=0;
	BaseType_t err = pdFALSE;
	
	int size=50;
	uint8_t buf[64];//最多只取前64个数据

	//清空本地接收数组
	memset(buf,0,size);
	
	while(1)
	{
		err=xSemaphoreTake(uartSemaphore,10);	//获取信号量
		if(err==pdTRUE)							//获取信号量成功
		{  
			//printf("%s",Data);
			if(rx_cnt < size)//收到的数据长度在size范围内
			{
				//void *memcpy(void *str1, const void *str2, size_t n)  
				//从存储区 str2 复制 n 个字节到存储区 str1。
				memcpy(buf,Recv,rx_cnt);//有几个复制几个
				count=rx_cnt;
				//printf("%s\r\n", buf);
			}
			else//收到的数据长度太长了
			{
				memcpy(buf,Recv,size);//只复制size个
				count=size;
			}
			rx_cnt=0;
		}
		
		if(count>0)
		{
			count=0;
			printf("receive:%s",buf);
			
			//------------------------------------------------------------------------------
			//这里可以继续对buf进行分析和处理,比如根据buf的不同内容执行不同的小任务

		}
	}
}

一个小应用

结合之前文章介绍的字符串操作的相关知识:,可以对“命令+参数”型的字符串数据进行处理。

//先判断指令名称
char *cmd;//表示命令
char *paras;//表示命令后的参数
cmd = strtok_r((char*)buf, " ", &paras);
			
char *ret;
int i;
for (i = 0; i < N;i++)
{
    ret = strstr(cmd, struct_dostr1[i].name);
    if(ret!=NULL)
    {
//      printf("find cmd in funname[%d]\r\n", i);
	 break;
    }
}
//printf("i:%d\r\n",i);
//printf("cmd:%s]\r\n", cmd);
//printf("paras:%s\r\n", paras);
if(i==N)
{
    printf("can't find cmd in funname[]\r\n");
}
else
{				
    //是有效的指令,继续判断后续参数
    char* para[4]={0};//限定最多接收4个参数

    int j= 0;
    while((para[j]=strtok(paras," "))!= NULL)//改成这样就可以了
    {
          j++;
          paras=NULL;
          if(j==4)
               break;
    }
    printf("paras nums:%d\r\n",j);
    if(j>0)printf("para[0]:%s\r\n", para[0]);
    if(j>1)printf("para[1]:%s\r\n", para[1]);
    if(j>2)printf("para[2]:%s\r\n", para[2]);
    if(j>3)printf("para[3]:%s\r\n", para[3]);
				
    //执行对应的函数
    struct_dostr1[i].fun(para);
}

最后的函数执行,是通过定义一个结构体,将字符命令与函数指针对应起来:

#define N 2
typedef struct struct_dostr
{
char name[32];
int (*fun)(char *argv[]);
}struct_dostr;
	
struct_dostr struct_dostr1[N]={
{"hello",hello},
{"led",  led},	
};

int hello(char* p[])
{
	printf("hello~~~~~~~~~~\r\n");
	return 0;
}

int led(char* p[])
{
	int p0,p1;
	p0=atoi(p[0]);
	p1=atoi(p[1]);
	
	printf("get led: %d, %d\r\n",p0,p1);
	return 0;
}

实验结果

通过串口发送helloled 80 5,可以看到想要的处理结果:

receive:hello   
hello~~~~~~~~~~
receive:led 80 5
get led: 80, 5

完整工程代码已保存至GitHub:https://github.com/xxpcb/FreeRTOS-STM32F407-examples

### 使用 FreeRTOS 实现串口接收数据的方法 在嵌入式系统中,特别是在基于 STM32 的平台上,FreeRTOS 是一种常用的实时操作系统 (RTOS),它能够有效地管理和调度多个任务。为了实现在 FreeRTOS 中的串口接收功能,通常有几种方法可以选择。 #### 方法一:使用串口中断二值信号量 这种方法利用了 STM32 自带的串口中断机制来触发事件,并通过 FreeRTOS 提供的二值信号量同步线程间的操作。当接收到新字符时,中断服务程序会释放一个信号量给等待中的任务,从而唤醒该任务去读取缓冲区内的数据[^2]。 ```c // 初始化部分省略... void UART_IRQHandler(void){ BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken; if(UART_GetITStatus(UART_IT_RXNE) != RESET){ // 如果接收到新的字节 uint8_t ch = UART_ReceiveData(); queue_buffer[index++] = ch; // 将其存入本地缓存 if(ch == &#39;\n&#39; || index >= BUFFER_SIZE){ // 当遇到换行符或达到最大长度时 xSemaphoreGiveFromISR(rx_semaphore, &xHigherPriorityTaskWoken); portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); // 可能需要上下文切换 } } } static void vUARTReceiverTask(void *pvParameters){ while(1){ if(pdTRUE == xSemaphoreTake(rx_semaphore,portMAX_DELAY)){ process_received_data(queue_buffer,index); // 处理接收到的数据 index = 0; // 清除索引以便下次接收 } } } ``` #### 方法二:采用 DMA 方式的串口接收 对于更高效的解决方案,则可以考虑使用直接存储器访问(DMA)技术来进行批量传输。这种方式不仅减少了 CPU 占用率,而且提高了吞吐量。下面是一个简单的例子说明如何设置并启动一次性的 DMA 接收过程[^3]: ```c #include "stm32f1xx_hal.h" extern UART_HandleTypeDef huart1; uint8_t rxBuffer[BUFFER_LENGTH]; volatile int dmaRxCompleteFlag = 0; void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){ if(huart->Instance==USART1){ dmaRxCompleteFlag = 1; } } int main(){ /* ...初始化代码... */ __HAL_LINKDMA(&huart1,RxDmaHandle,dma_rx_handle); HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,(uint8_t*)rxBuffer,BUFFER_LENGTH); while (!dmaRxCompleteFlag){ osDelay(10); // 或者执行其他非阻塞的操作 } // 对接收到的数据做进一步处理... } ``` 这两种方案各有优缺点,在具体应用中可以根据实际情况选择最合适的方式。如果应用程序对响应时间敏感且每次只接收少量数据的话,那么第一种方法可能更加合适;而对于大量连续流式输入的情况来说,第二种方法显然更为有效。
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