4. 串口接收

任务目标

实现串口单字节接收的两种同步方式：裸机方式在中断服务函数中置位标志位，主循环轮询标志并处理数据；RTOS方式在中断中释放二值信号量，接收任务获取信号量后处理数据。通过两种实现的对比，理解中断与任务间同步机制的差异。

环境依赖

本案例基于STM32F407 + HAL库 + FreeRTOS（CMSIS-RTOS v2封装）。裸机部分不依赖RTOS，RTOS部分需要FreeRTOS运行环境。串口使用USART1，中断已使能。

裸机实现：中断标志同步

// main.c 裸机部分关键代码
volatile uint8_t rx_flag = 0;
volatile uint8_t rx_data = 0;

// USART1中断服务函数（在stm32f4xx_it.c中）
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE)) {
        rx_data = (uint8_t)(huart1.Instance->DR & 0xFF);
        rx_flag = 1;  // 置位标志
        __HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE);
    }
}

// 主循环
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    while (1) {
        if (rx_flag) {
            rx_flag = 0;  // 清除标志
            // 处理接收到的数据，例如回显
            HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, 100);
        }
    }
}

RTOS实现：二值信号量同步

// RTOS部分关键代码（使用CMSIS-RTOS v2）
osSemaphoreId_t bin_sem_handle;
osThreadId_t rx_task_handle;

// 接收任务
void rx_task(void *argument)
{
    uint8_t data;
    for (;;) {
        // 等待信号量，超时时间设为无限
        if (osSemaphoreAcquire(bin_sem_handle, osWaitForever) == osOK) {
            data = rx_data;  // rx_data在中断中赋值
            // 处理数据，例如回显
            HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 100);
        }
    }
}

// USART1中断服务函数（RTOS版本）
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE)) {
        rx_data = (uint8_t)(huart1.Instance->DR & 0xFF);
        // 释放二值信号量（中断安全版本）
        osSemaphoreRelease(bin_sem_handle);
        __HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE);
    }
}

// 初始化
void rtos_init(void)
{
    bin_sem_handle = osSemaphoreNew(1, 0, NULL);  // 初始计数值为0
    osThreadNew(rx_task, NULL, NULL);
}

关键对比

运行与验证

1. 裸机验证：编译烧录后，用串口助手向开发板发送单字节（如0x55），观察是否回显相同字节。若回显正确，说明中断标志同步工作正常。
2. RTOS验证：在RTOS工程中执行相同操作，发送单字节应收到相同回显。可通过调试器观察：接收任务在无数据时处于Blocked状态（阻塞在信号量等待），发送数据后任务转为Ready/Running状态。
3. 对比判定：两种实现均能正确回显数据即通过。进一步可测量：在RTOS中同时运行一个LED闪烁任务，观察闪烁不受串口接收影响；裸机中若主循环被其他耗时操作占用，串口响应会延迟。

注意事项

• 中断中调用osSemaphoreRelease是安全的（CMSIS-RTOS v2提供中断安全版本），但不可在中断中调用osSemaphoreAcquire。
• 二值信号量初始计数值必须设为0，否则第一次获取会立即成功而无需中断触发。
• 裸机标志位需使用volatile修饰，防止编译器优化导致主循环无法感知中断修改。