ARM是目前嵌入式領域中應用最廣泛的RISC微處理器結構，以低成本、低功耗、高性能的特點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。STM32F103VB是基于ARM新內核Cortex-M3的通用微處理器，STM32V評估板是基于該芯片的學習板并集成了仿真調試器(Ulink_Me)，可以方便用戶快速學習和開發(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)應用設計的，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，廣泛應用于照相攝影、醫(yī)療器械、音響設備、工業(yè)機器人控制、發(fā)動機控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等眾多領域。這里以STM32V評估板為硬件開發(fā)平臺，結合μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，設計了基于信號量、消息郵箱的串口通信應用程序。

1 信號量、消息郵箱
    μC／OS-II由事件(Event)驅動，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制，在數(shù)據(jù)通信過程中應用最為廣泛。
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組成的等待任務列表。信號量可用于以下場合：允許一個任務與其他任務或中斷同步；取得共享資源的使用權(滿足互斥條件)；標志事件的發(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，等待信號量的任務表(WAWING LIST)應清為空。信號量的使用需要調用相應的函數(shù)并配置其相關的宏定義，具體如表1所示。

1．2 消息郵箱(Message Mail boxes)
    消息郵箱能使任務或中斷服務向另外一個任務發(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)結構。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列表，當郵箱為空時，等待消息的任務就掛起，并且被加入到等待消息的任務列表中。當郵箱收到消息時，等待任務列表中優(yōu)先級最高的任務或者最先等待消息的任務得到消息，且轉入就緒并從任務列表中清除。
    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用相應的函數(shù)并配置其相關的宏定義，具體如表2所示。

2 硬件開發(fā)設計
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)板將這些外設接口全部引出，自帶LCD液晶顯示并集成調試工具，用戶可方便設計、調試和查看程序運行結果等。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、復位／輸入按鈕、LED顯示和SD卡存儲。

2．2 通信電路
    計算機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束的標志。
    PC機的串行通信接口采用的是EIA RS-232E標準串行通信協(xié)議。在本設計中，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機標準串行通信接口連接，必須設計TTL電平到RS-232協(xié)議電平信號的轉換電路。串口RS-232電平與STM32F103VB微處理器TTL電平轉換由開發(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，支持在線調試。
    嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ可以管理256個任務，除了系統(tǒng)任務外，用戶應用程序最多可以有248個任務，而中斷嵌套的層數(shù)最多也可以到255層。任務創(chuàng)建過程包含了任務堆棧大小的設置、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機的通信，軟件設計流程如圖3所示，在完成相應的初始化之后，創(chuàng)建程序設計中用到的信號量和消息郵箱，緊接著需要創(chuàng)建應用任務，最后啟動系統(tǒng)。

    由該流程圖可以看出：本程序設計中創(chuàng)建了4個任務，即LED顯示任務，液晶顯示任務，串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務和數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務。每一個任務都要有相應的優(yōu)先級和任務堆?？臻g，程序設計中每個任務的堆棧空間為512個字節(jié)，優(yōu)先級依次為11，13，4，6。
    ST公司用標準的ANSI C封裝了ARM微處理器中各個功能寄存器，為用戶應用程序的開發(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進行初始化配置，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之間的通信的同步，串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務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App_TaskSendata Ctrl(void*p_arg)，數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務在接收到信號量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，數(shù)據(jù)發(fā)送控制任務在接收到發(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)送任務在接收到消息郵箱后通過串口發(fā)送接收到的消息內容給PC機。具體代碼如下：

    圖4為串口通信波特率設定為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果，結果表明程序按照預先設定好的發(fā)送要求不斷向PC機發(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，程序設計達到了預期目標。通常在工業(yè)現(xiàn)場實際應用中需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕话愣夹枰跀?shù)據(jù)的發(fā)送和接收端對數(shù)據(jù)進行相應的數(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)臏蚀_性。在后期的研究學習中也可以嘗試將其應用于工業(yè)現(xiàn)場以測試其工作的可靠性。

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