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智能家居系统-软件设计
1 智能家居远程控制系统的软件实现
1.1 基于uC/OS-II的中央控制器的软件设计
1.1.1 uC/OS-II系统移植
本设计使用uC/OS-II操作系统，uC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁和抢占式的实时多任务操作系统，uC/OS-II的大部分源码是用标准ANSI C编写，并且编程规范，可读性很高，内核中只有少量的与硬件相关的代码使用汇编语言编写，总共200余行，移植非常方便[37]。uC/OS-II软件体系结构如图5-1所示。移植工作主要包括以下几个方面的内容：
1）修改OS_CPU.H中常量、数据类型和宏；
2）用汇编语言改写OS_CPU_A.ASM中的四个函数 ；
3）用C语言改写OS_CPU_C.C中的几个简单函数；
图5-1 uC/OS-I 软硬件体系结构图
uC/OS-II处理器无关的代码提供uCOS-II的系统服务，移植uCOS II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP(Board Support Package)的编写。uCOS II大部分代码是使用ANSI C语言书写的，因此uCOS-II的可移植性较好。uC/OS-II 系统移植只需要使用C和汇编语言写一些处理器相关的代码[20]。uC/OS-II 系统移植工作主要步骤：
（1）OS_CPU.H的修改
1）进出临界区相关代码
前后台系统靠中断来实现实时任务，而操作系统使用任务调度来保证实时性，在调度过程中，不能被打断，因此必须关中断。
不同的CPU有不同的中断管理方法，为了便于移植，uC/OS-II定义了两个宏来表示中断开关，它们是：
OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
uC/OS-II系统有三种方法来实现进出临界区代码，OS_CPU.H中的常数OS_CRITICAL_METHOD规定了其实现方法[37]。
本系统选择的是方法3，即定义：
#define OS_CRITICAL_METHOD 3
使用方法3时，需要状态寄存器的值保存在局部变量cpu_sr中，因此需要定义两个函数分别进行状态寄存器的保存与恢复，这两个函数是：
#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();}//进入临界区，保存CPU寄存器。
#define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}//退出临界区，恢复CPU寄存器。
这两个函数在文件os_cpu_a.asm中用汇编语言来实现的，具体实现代码如下：
OS_CPU_SR_Save ;存储和恢复CPU状态寄存器SR
MRS R0, PRIMASK ;保存全局中断标志
CPSID I ;关中断
BX LR
OS_CPU_SR_Restore
MSR PRIMASK, R0 ;恢复全局中断标志
BX LR
2）堆栈的增长方向定义
不同的处理器的堆栈生长方向不同，有向上生长的，也有向下生长的，向上增长入栈由内存的低地址向高地址；向下增长入栈由内存的高地址向低地址。不同的增长方向下，堆栈栈顶也不同：
向上增长：ptos为TaskStk[0]
向下增长：ptos为TaskStk [SIZE-1]
可以根据OS_CFG.H中的常数OS_STK_GROWTH作为选择开关，使用户可通过定义该常数的值来选择相应的代码段，STM32向下增长，定义如下：
#define OS_STK_GROWTH 1
3）数据类型定义
对于不同的CPU、不同的开发环境，同样的数据结构可能其类型是不同的，为了便于系统在不同的环境下移植，uC/OS-II定义了系统使用的数据类型。
定义方法是使用typedef关键字进行声明，如下：
typedef unsigned char BOOLEAN; /*布尔变量，主要用在二值变量定义 */
typedef unsigned char INT8U; /*定义INT8U为8位无符号整形 */
typedef unsigned short INT16U; /*定义INT16U为16位无符号整形 */
typedef unsigned int INT32U; /*定义INT32U为32位无符号整形 */
typedef unsigned int OS_STK; /*定义OS_STK为32位堆栈定义变量*/
.........
（2）OS_CPU_A.ASM的修改
1）系统的启动
OSStartHighRdy()启动最高优选级任务，由OSStart调用，系统启动前，至少需要创建一个任务，否则系统会崩溃。
OSStartHighRdy ;启动最高优选级的任务
LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 ; PendSV中断地址
LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI ;设置PendSV优选级为最低
STRB R1, [R0] ;写入PendSV优选级
MOVS R0, #0 ; 设置PSP
MSR PSP, R0 ; PSP=0，R0内容加载到PSP
LDR R0, =OSRunning
MOVS R1, #1
STRB R1, [R0]
LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ;装载中断控制器状态寄存器ICSR地址
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET ;ICSR：bit28=1，
;悬起PendSV中断
STR R1, [R0]
CPSIE I ; 开系统中断
OSStartHang
B OSStartHang ; 程序不会运行到此处
2）任务切换
任务的切换过程就是通过任务就绪表找到优先级最高的任务，切换过程和中断过程有些类似，中断自动保存寄存器，而任务切换由软件进行上下文环境保存和程序跳转。任务切换时保存当前任务的上下文环境到该任务的私有堆栈中，然后复制最高优先级任务私有堆栈的数据到CPU的工作寄存器中，然后执行新的任务代码段，实现了任务的切换。在uC/OS-II 中，任务级切调用OS_Sched()，然后调OS_TASK_SW()，OS_TASK_SW()是OSCtxSw()的宏声明。
OSCtxSw
LDR R0, =NVIC_INT_CTRL;中断控制器状态寄存器ICSR地址
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET; 中断状态寄存器ICSR
STR R1, [R0] ; ICSR：bit28=1，悬起PendSV中断
BX LR ;LR--返回
uC/OS-II是可剥夺式实时内核，在中断退出时，要进行优选级查询，如果中断使新的高优选级任务进入就绪状态，则要触发任务调度。作为可剥夺内核，uC/OS-II在中断服务程序的最后会调用 OSIntExit()函数检查任务就绪状态，看是否有高优选级任务进入就绪状态，如果有就调用OSIntCtxSw()函数，uC/OS-II使用OSIntCtxSw()进行中断级任务切换[38]
3）PendSV中断——PendSV_Handler
OSCtxSw()虽然是任务级切换的核心函数，但是STM32的硬件架构决定了PendSV中断处理才是任务切换的处理函数，STM32采用Cortex-M3硬件内核，当Cortex-M3进入异常服务例程时，自动压栈了R0-R3，R12，LR(R14,连接寄存器)，PSR(程序状态寄存器)和PC(R15)，并且在返回时自动弹出。
（3）OS_CPU_C.C的修改
OS_CPU_C.C文件包含几个钩子函数和堆栈初始化函数，但主要工作只需要修改 OSTaskStkInit()函数，该函数由任务创建函数OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()来调用[63]，在任务建立时就被调用以初始化任务的堆栈，使用堆栈来模拟处理器的寄存器[37]，初始化后STM32寄存器如图5-2所示。
图5-2 处理器寄存器初始值
堆栈主要是模拟CPU寄存器，系统中需要移植函数OSTaskStkInit（），其原型为：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)
1.1.2 uC/OS-II多任务处理
uCOS-II最多可支持64个任务，其内核为占先式，总是执行就绪态的优先级最高的任务，并支持Semaphore (信号量)、Mailbox (邮箱)、MessageQueue(消息队列)等多种进程间通信机制。每一个任务由三部分组成，任务控制块，任务的私有堆栈、任务代码。
1）系统时钟节拍设置
时钟节拍为系统的任务调度和定时服务提供同步时钟，时钟节拍常数为：OS_TICKS_PER_SEC，系统中定义OS_TICKS_PER_SEC为100，那么通过CPU的硬件定时器中断，可以将操作系统的时钟频率设置为每秒100Hz，即每秒进行100次任务调度，系统“心跳”为10ms。
图5-3 任务通过SysTick进行轮转调度
STM32微控制器有一个嘀嗒定时器，使用该定时器完成系统精确定时中断服务。调用库函数SysTick_Config(SystemFrequency / 100) , 函数的参数就是systick重装定时器的值，并且自动打开中断，将中断设为最低的优先级，时钟设为HCLK即系统时钟72mhz，并重置计数寄存器开始计数。SystemFrequency为每秒72,000,000，所以SystemFrequency / 100就是1/100秒，也就是10ms。
void OS_CPU_SysTickInit (void)
{
/* SYSTICK分频--时钟节拍为:OS_TICKS_PER_SEC */
if ( SysTick_Config(SystemCoreClock / OS_TICKS_PER_SEC) )
{
while (1);
}
}
该函数的中断处理函数如下，调用OSTimeTick()函数完成所有计时服务和时间更新相关操作。
2）任务的堆栈分配[62]
堆栈作用的就是用来保存局部变量，从本质上讲也就是将CPU寄存器的值保存到RAM中。在uC/OS中，每一个任务都有一个独立的任务堆栈。uC/OS-II的在建立任务函数中要对新建任务的堆栈进行初始化，OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通过调用OSTaskStkInit()，初始化任务的栈结构[63]。堆栈初始化函数原型是：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)；
堆栈的建立过程：
typedef unsigned int OS_STK;
#define TASK_STK_SIZE 512
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];
以上3句语句即定义一个数组作为任务堆栈，堆栈长度512*4 = 2K Bytes。
本设计中使用了5个用户任务，还有一个系统任务创建任务，一个有6个任务，因此开辟6个堆栈结构。堆栈空间的大小根据任务需求设定，一是计算任务本身的需求，如局部变量、函数调用等，二是计算最多中断嵌套层数，确定最终需要保存的寄存器、中断服务程序中局部变量，然后得出任务的堆栈大小。本系统使用的堆栈如下：
/********************系统任务堆栈************************/
#define APP_TASK_START_STK_SIZE 64u
#define MyTaskLED1_STK_SIZE 128u
#define MyTaskLCD_STK_SIZE 256u
#define MyTaskZigBee_STK_SIZE 256u
#define MyTaskGPRS_STK_SIZE 256u
#define MyTaskWIFI_STK_SIZE 256u
OS_STK App_TaskStartStk[APP_TASK_START_STK_SIZE];
OS_STK TaskLED1Stk[MyTaskLED1_STK_SIZE - 1];
OS_STK TaskLCDStk[MyTaskLCD_STK_SIZE - 1];
OS_STK TaskZigBeeStk[MyTaskZigBee_STK_SIZE - 1];
OS_STK TaskGPRSStk[MyTaskGPRS_STK_SIZE - 1];
OS_STK TaskWIFIStk[MyTaskWIFI_STK_SIZE - 1];
3）任务创建与优先级分配
根据任务的重要性，对所有的用户任务分配优选级，从0到63，但是最低2个和最高2个已经分配给操作系统，因此用户可以分配的优选级还有60个。优选级号越低，优选级越高，在抢占式调度中，被调度的可能性越大，因此一般把根据任务的耗时时间和实时性要求，给任务分配不同的优选级，同时考虑到后续升级的可能性，两个不同任务的优选级之间需要隔几个数。
优先级分配：
#define APP_TASK_START_PRIO 2u
#define MyTaskLED1_PRIO 4u
#define MyTaskLCD_PRIO 7u
#define MyTaskZigBee_PRIO 16u
#define MyTaskGPRS_PRIO 13u
#define MyTaskWIFI_PRIO 10u
uC/OS系统中，一般先建立一个任务，用它来创建其他任务，本文任务创建5个任务，具体如下：
void AppTaskCreate (void)
{
OSTaskCreate( TaskLED1,
(void*) 0,
&TaskLED1Stk[MyTaskLED1_STK_SIZE - 1],
MyTaskLED1_PRIO
);
OSTaskCreate( TaskLCD,
(void*) 0,
&TaskLCDStk[MyTaskLCD_STK_SIZE - 1],
MyTaskLCD_PRIO
);
OSTaskCreate( TaskGPRS,
(void*) 0,
&TaskGPRSStk[MyTaskGPRS_STK_SIZE - 1],
MyTaskGPRS_PRIO
);
OSTaskCreate( TaskWIFI,
(void*) 0,
&TaskWIFIStk[MyTaskWIFI_STK_SIZE - 1],
MyTaskWIFI_PRIO
);
OSTaskCreate( TaskZigBee,
(void*) 0,
&TaskZigBeeStk[MyTaskZigBee_STK_SIZE - 1],
MyTaskZigBee_PRIO
);
}
4）任务通信与同步
嵌入式系统中的各个任务都是以并发的方式运行，经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源，或者竞争使用外设，程序运行中甚至有时还要互相限制和制约，才保证任务的顺利运行。所以，系统必须具有完备的同步和通信机制，uC/OS-II使用信号量、消息邮箱和消息队列来实现任务间通信，在uC/OS-II中，这些都被称为事件，由事件控制块来记录和控制，事件控制块是一个叫OS_EVENT的数据结构。其中事件类型有6种：
#define OS_EVENT_TYPE_UNUSED 0
#define OS_EVENT_TYPE_MBOX 1
#define OS_EVENT_TYPE_Q 2
#define OS_EVENT_TYPE_SEM 3
#define OS_EVENT_TYPE_MUTEX 4
#define OS_EVENT_TYPE_FLAG 5
本系统中，使用了4个消息队列，声明如下：
OS_EVENT *GPRS_Q;
OS_EVENT *WIFI_Q;
OS_EVENT *ZIGBEE_Q;
OS_EVENT *LCD_Q;
GPRS_Q =OSQCreate(&GPRSCmdTab[0],25); //GPRS消息队列
WIFI_Q =OSQCreate(&WIFICmdTab[0],25); //WIFI消息队列
ZIGBEE_Q =OSQCreate(&ZIGBEECmdTab[0],25); //ZIGBEE的消息队列
LCD_Q =OSQCreate(&LCDCmdTab[0],10); //LCD消息队列
消息队列在系统中传递消息，可以发送和接收一个消息指针，例如，在ZigBee驱动函数下，调用OSQPend等待消息队列的处理如下：
void TaskZigBee (void *p_arg)
{
for(;;)
{
ZigBee_data=http://www.mamicode.com/(uint8_t *)OSQPend(ZIGBEE_Q,250,&err);//timeout= 2.5s.>
5）任务调度
uC/OS-II 规定各个任务的优先级必须不同，在一个系统中，如果某个任务的优先级号越小，那么这个任务的优先级越高。uC/OS-II是基于任务优先级抢占式任务调度法的，有任务切换和中断返回切换两种调度方法，任务的优先级号就是任务编号。基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。内核在任务调度时，某个任务被调度的条件有两个：条件1，该任务此时已处于就绪状态；条件2，该任务的优先级最高。
uC/OS-II任务的调度是由调度器完成的。所谓调度器实际上是一个函数 OSShed()，此函数通过搜索任务就绪表来获得最高优先级的就绪任务，任务就绪状态由OSRdyTbl和OSRdyGrp记录，就绪的任务在任务就绪表中设置其标志位，退出就绪的任务在就绪表中撤消其标志位[37]。对于最高优先级任务的查找，uC/OS-II利用哈希表来定位最高优先级的就绪任务，算法简洁，效率极高[38]。uC/OS-II任务就绪表如图5-4所示。
图5-4 uC/OS-II任务就绪表示意图
OSRdyTbl和OSRdyGrp共同实现任务优选级调度，当OSRdyTbl[i]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第i位置1，i的范围是0到7。内核主要是通过操作 OSRdyTbl[]和 OSRdyGrp 这两个数组来实现任务的调度。某个任务就绪时，将该任务放入就绪表，其算法的实现代码为：
OSRdyGrp |= OSMapTbl[prio >> 3]; // OSRdyGrp置位
OSRdyTbl[prio >> 3] |= OSMapTbl[prio & 0x07]; // OSRdyTbl置位
其中，OSMapTbl[8] 是屏蔽字，用于限制OSRdyTbl[]数组的元素下标在0到7之间，见表5.1。
表5.1 OSMapTbl []数值
|
Index |
Bit Mask |
|
0 |
0000 0001 |
|
1 |
0000 0010 |
|
2 |
0000 0100 |
|
3 |
0000 1000 |
|
4 |
0001 0000 |
|
5 |
0010 0000 |
|
6 |
0100 0000 |
|
7 |
1000 0000 |
当任务挂起或者退出，则该任务的优选级号则会在就绪表中删除，其算法实现代码如下：
if((OSRdyTbl [prio>>3] &= OSMapTbl[prio&0x07]) = = 0) // OSRdyTbl
OSRdyGrp &= OSMapTbl[prio>>3]; // OSRdyGrp
uC/OS-II任务调度的第一件事件就是找到任务就绪表中的最高优先级任务，然后将其在就绪表中位置置0，算法和查找最高优选级相同。
uC/OS-II总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一个，由调度器决定应该运行的任务。在uC/OS-II系统调度中，任务级的调度是由函数OSSched()完成的，实现任务切换，中断级的调度是由函数OSIntExt()完成的，实现可剥夺式任务调度。
1.1.3 uC/OS-II驱动设计
本系统中，主控MCU面对的外设主要是UART接口，有WIFI、ZigBee、LCD、协控制器，如何保证实时性是一个必须考虑的问题。由于系统采用了统一的数据协议，因此，用户函数主要任务就是与串口交互。
为了提高系统实时性，采用了中断模式，STM32有5个串口，其中串口1作ISP下载和系统状态监控，串口2、3、4、5与外设模块相连接，完成系统数据交互，串口设置：波特率15200，数据位8，停止位1。系统上层协议如表5.2所示。嵌入式系统中断服务函数开发注意事项：
1）中断服务函数不能返回一个值；
2）中断服务函数不能传递参数；
3）中断服务函数应该短而有效率的，在ISR中大量运算是不明智的。
4）避免在中断内使用标准IO库函数调用，如printf函数。
表5.2 网关与上位机通信协议
|
帧头 |
长度 |
客户端 编号 |
消息号 |
设备类 |
设备号 |
功能号 |
扩展位 |
校验 |
帧尾 |
|
7E 9A |
06 |
xx |
01 |
xx |
xx |
xx |
xx |
xx |
5A 3E |
交互实例:
上位机发：7e 9a 06 02 01 F1 02 00 00 FC 5a 3e
说明：2号WiFi设备请求2号机温度查询
下位机回：7E 9A 06 02 01 F1 02 12 03 11 5A 3E
说明：2号WiFi设备回复2号机温度+18.03℃
为了实现数据协议的分析和处理，同时减小中断开销，采用了状态机编程方法，串口数据在中断函数中进行状态机跳转，当出现最终状态时，表明接收到的数据符合协议标准，创立软件标志。有限状态机思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上常用的一种处理方法。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理。
状态机模式编程优势：
1、状态机可以减少许多条件语句；
2、用状态进入和退出动作实现有保证的初始化和清除；
3、使用和维护都较简单；
4、轻易地改变状态机拓扑，系统升级方便；
5、提高了运行时效率和更小的内存占用；
下面以WIFI通信函数说明系统基于状态机的编程思路：
1）建立状态转换标志
对数据协议的帧头帧尾进行定义，便于编程，提高代码的可读性。
#define WIFI_RX_FRAME_HEADER_0 0x7E //帧头0
#define WIFI_RX_FRAME_HEADER_1 0x9A //帧头1
#define WIFI_RX_FRAME_ED_0 0x5A //帧尾0
#define WIFI_RX_FRAME_ED_1 0x3E //帧尾1
定义状态机跳转标志，程序按照状态进行转换。
#define WIFI_RX_STATE_SD0 0
#define WIFI_RX_STATE_SD1 1
#define WIFI_RX_STATE_LEN 2
#define WIFI_RX_STATE_DATA 3
#define WIFI_RX_STATE_CHKSU 4
#define WIFI_RX_STATE_ED0 5
#define WIFI_RX_STATE_ED1 6
2）根据逻辑关系编写状态跳转函数
void Uart4WiFiDataRxHandler (INT8U rx_data)
{
switch (Uart4WiFi_RxState) //状态机状态标志
{
case WIFI_RX_STATE_SD0: //状态0 ，起始状态
{
if (rx_data =http://www.mamicode.com/= WIFI_RX_FRAME_HEADER_0) >
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