FreeRTOS使用任務(wù)通知實現(xiàn)命令行解釋器

更新時間：2022年04月08日 13:31:58 作者：zhzht19861011

這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS使用任務(wù)通知實現(xiàn)命令行解釋器，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步早日升職加薪

前言

雖然這是介紹FreeRTOS系列的文章，但這篇文章偏重于命令行解釋器的實現(xiàn)。這一方面是因為任務(wù)通知使用起來非常簡單，另一方面也因為對于嵌入式程序來說，使用命令行解釋器來輔助程序調(diào)試是非常有用的。程序調(diào)試是一門技術(shù)，基本上我們需要兩種調(diào)試手段，一種是可以單步仿真的硬件調(diào)試器，另外一種是可以長期監(jiān)視程序狀態(tài)的狀態(tài)輸出，可以通過串口、顯示屏等等手段輸出異常信息或者某些關(guān)鍵點。這里的命令行解釋器就屬于后者。

本文實現(xiàn)的命令行解釋器具有以下特性：

支持十進制參數(shù)，識別負號；

支持十六進制參數(shù)，十六進制以‘0x’開始；

命令名長度可定義，默認最大20個字符；

參數(shù)數(shù)目可定義，默認最多8個參數(shù)；

命令名和參數(shù)之間以空格隔開，空格個數(shù)任意；

整條命令以回車換行符結(jié)束；

整條命令最大長度可定義，默認64字節(jié)，包括回車換行符；

如果使用SecureCRT串口工具（推薦），支持該軟件的控制字符，比如退格鍵、左移鍵、右移鍵等。

一個帶參數(shù)的命令格式如下所示：

參數(shù)名 <參數(shù)1> <參數(shù)2> … <參數(shù)3>[回車換行符]

1.編碼風格

FreeRTOS的編碼標準及風格見FreeRTOS編碼標準及風格指南，但我自己的編碼風格跟FreeRTOS并不相同，并且我也不打算改變我當前堅持使用的編碼風格。所以在這篇或者以后的文章中可能會在一個程序中看到兩種不同的編碼風格，對于涉及FreeRTOS的代碼，我盡可能使用FreeRTOS建議的編碼風格，與FreeRTOS無關(guān)的代碼，我仍然使用自己的編碼風格。我可以保證，兩種編碼風格決不會影響程序的可讀性，編寫良好可讀性的代碼，是我一直注重并堅持的。

2.一些準備工作

2.1串口硬件驅(qū)動

命令行解釋器使用一個硬件串口，需要外部提供兩個串口底層函數(shù)：一個是串口初始化函數(shù)init_cmd_uart()，用于初始化串口波特率、中斷等事件；另一個是發(fā)送單個字符函數(shù)my_putc()。此外，命令行為串口接收中斷服務(wù)程序提供函數(shù)fill_rec_buf()，用于保存接收到的字符，當收到回車換行符后，該函數(shù)向命令行分析任務(wù)發(fā)送通知。

2.2一個類printf函數(shù)

類printf函數(shù)用來格式化輸出，我一般用來輔助調(diào)試，為了方便的將調(diào)試代碼從程序中去除，需要將類printf函數(shù)進行封裝。我的文章嵌入式C程序優(yōu)質(zhì)編寫教程第5.2節(jié)給出了一個完整的類printf函數(shù)實現(xiàn)和封裝代碼，最終我們使用到的類printf函數(shù)是如下形式的宏：

MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("第%d個參數(shù):%d\n",i+1,arg[i]));

3.使用任務(wù)通知

我們將會創(chuàng)建一個任務(wù)，用來分析接收到的命令，如果命令有效則調(diào)用命令實現(xiàn)函數(shù)。這個任務(wù)名字為vTaskCmdAnalyze()。串口接收中斷用于接收命令，如果接收到回車換行符，則向任務(wù)vTaskCmdAnalyze()發(fā)送任務(wù)通知，表明已經(jīng)接收到一條完整命令，任務(wù)可以去處理了。

示意框圖如圖3-1所示。

4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

命令行解釋器程序需要涉及兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：一個與命令有關(guān)，包括命令的名字、命令的最大參數(shù)數(shù)目、命令的回調(diào)函數(shù)類型、命令幫助信息等；另一個與分析命令有關(guān)，包括接收命令字符緩沖區(qū)、存放參數(shù)緩沖區(qū)等。

4.1與命令有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

定義如下：

   typedef struct {
        char const *cmd_name;                        //命令字符串
        int32_t max_args;                            //最大參數(shù)數(shù)目
        void (*handle)(int argc,void * cmd_arg);     //命令回調(diào)函數(shù)
        char  *help;                                 //幫助信息
    }cmd_list_struct;

需要說明一下命令回調(diào)函數(shù)的參數(shù)，argc保存接收到的參數(shù)數(shù)目，cmd_arg指向參數(shù)緩沖區(qū)，目前只支持32位的整形參數(shù)，這在絕大多數(shù)嵌入式場合是足夠的。

4.2與分析命令有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

定義如下：

#define ARG_NUM     8          //命令中允許的參數(shù)個數(shù)
#define CMD_LEN     20         //命令名占用的最大字符長度
#define CMD_BUF_LEN 60         //命令緩存的最大長度
typedef struct {
    char rec_buf[CMD_BUF_LEN];            //接收命令緩沖區(qū)
    char processed_buf[CMD_BUF_LEN];      //存儲加工后的命令(去除控制字符)
    int32_t cmd_arg[ARG_NUM];             //保存命令的參數(shù)
}cmd_analyze_struct;

緩沖區(qū)的大小使用宏來定義，通過更改相應(yīng)的宏定義，可以設(shè)置整條命令的最大長度、命令參數(shù)最大數(shù)目等。

5.串口接收中斷處理函數(shù)

本文使用的串口軟件是SecureCRT，在這個軟件下敲擊的任何鍵盤字符，都會立刻通過串口硬件發(fā)送出去，這與Telnet類似。所以我們無需使用串口的FIFO，每接收到一個字符就產(chǎn)生一次中斷。串口中斷與硬件關(guān)系密切，所以命令行解釋器提供了一個與硬件無關(guān)的函數(shù)fill_rec_buf()，每當串口中斷接收到一個字符，就以收到的字符為參數(shù)調(diào)用這個函數(shù)。 fill_rec_buf()函數(shù)主要操作變量cmd_analyze，變量的聲明原型為：

cmd_analyze_struct cmd_analyze;

函數(shù)fill_rec_buf()的實現(xiàn)代碼為：

/*提供給串口中斷服務(wù)程序，保存串口接收到的單個字符*/
void fill_rec_buf(char data)
{
    //接收數(shù)據(jù) 
    static uint32_t rec_count=0;
    cmd_analyze.rec_buf[rec_count]=data;
    if(0x0A==cmd_analyze.rec_buf[rec_count] && 0x0D==cmd_analyze.rec_buf[rec_count-1])
    {
       BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
       rec_count=0;
       /*收到一幀數(shù)據(jù)，向命令行解釋器任務(wù)發(fā)送通知*/
       vTaskNotifyGiveFromISR (xCmdAnalyzeHandle,&xHigherPriorityTaskWoken);
       
       /*是否需要強制上下文切換*/
       portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken );
    }
    else
    {
       rec_count++;
       /*防御性代碼，防止數(shù)組越界*/
       if(rec_count>=CMD_BUF_LEN)
       {
           rec_count=0;
       }
    }    
}

6.命令行分析任務(wù)

命令行分析任務(wù)大部分時間都會因為等待任務(wù)通知而處于阻塞狀態(tài)。當接收到一個通知后，任務(wù)首先去除命令行中的無效字符和控制字符，然后找出命令名并分析參數(shù)數(shù)目、將參數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)并保存到參數(shù)緩沖區(qū)中，最后檢查命令名和參數(shù)是否合法，如果合法則調(diào)用命令回調(diào)函數(shù)處理本條命令。

6.1去除無效字符和控制字符

串口軟件SecureCRT支持控制字符。比如在輸入一串命令的時候，發(fā)現(xiàn)某個字符輸入錯誤，就要使用退格鍵或者左右移動鍵定位到錯誤的位置進行修改。這里的退格鍵和左右移動鍵都屬于控制字符，比如退格鍵的鍵值為0x08、左移鍵的鍵值為0x1B0x5B 0x44。我們之前也說過，在軟件SecureCRT中輸入字符時，每敲擊一個字符，該字符立刻通過串口發(fā)送給我們的嵌入式設(shè)備，也就是所有鍵值都會按照敲擊鍵盤的順序存入到接收緩沖區(qū)中，但這里面可能有我們不需要的字符，我們首先需要利用控制字符將不需要的字符刪除掉。這個工作由函數(shù)get_true_char_stream()實現(xiàn)，代碼如下所示：

/**
* 使用SecureCRT串口收發(fā)工具,在發(fā)送的字符流中可能帶有不需要的字符以及控制字符,
* 比如退格鍵,左右移動鍵等等,在使用命令行工具解析字符流之前,需要將這些無用字符以
* 及控制字符去除掉.
* 支持的控制字符有:
*   上移:1B 5B 41
*   下移:1B 5B 42
*   右移:1B 5B 43
*   左移:1B 5B 44
*   回車換行:0D 0A
*  Backspace:08
*  Delete:7F
*/
static uint32_t get_true_char_stream(char *dest,const char *src)
{
   uint32_t dest_count=0;
   uint32_t src_count=0;
    while(src[src_count]!=0x0D && src[src_count+1]!=0x0A)
    {
       if(isprint(src[src_count]))
       {
           dest[dest_count++]=src[src_count++];
       }
       else
       {
           switch(src[src_count])
           {
                case    0x08:                          //退格鍵鍵值
                {
                    if(dest_count>0)
                    {
                        dest_count --;
                    }
                    src_count ++;
                }break;
                case    0x1B:
                {
                    if(src[src_count+1]==0x5B)
                    {
                        if(src[src_count+2]==0x41 || src[src_count+2]==0x42)
                        {
                            src_count +=3;              //上移和下移鍵鍵值
                        }
                        else if(src[src_count+2]==0x43)
                        {
                            dest_count++;               //右移鍵鍵值
                            src_count+=3;
                        }
                        else if(src[src_count+2]==0x44)
                        {
                            if(dest_count >0)           //左移鍵鍵值
                            {
                                dest_count --;
                            }
                           src_count +=3;
                        }
                        else
                        {
                            src_count +=3;
                        }
                    }
                    else
                    {
                        src_count ++;
                    }
                }break;
                default:
                {
                    src_count++;
                }break;
           }
       }
    }
   dest[dest_count++]=src[src_count++];
    dest[dest_count++]=src[src_count++];
    return dest_count;
}

6.2參數(shù)分析

接收到的命令中可能帶有參數(shù)，我們需要知道參數(shù)的數(shù)目，還需要把字符型的參數(shù)轉(zhuǎn)換成整形數(shù)并保存到參數(shù)緩沖區(qū)（這是因為命令回調(diào)函數(shù)需要這兩個參數(shù)）。這個工作由函數(shù)cmd_arg_analyze()實現(xiàn)，代碼如下所示：

/**
* 命令參數(shù)分析函數(shù),以空格作為一個參數(shù)結(jié)束,支持輸入十六進制數(shù)(如:0x15),支持輸入負數(shù)(如-15)
* @param rec_buf   命令參數(shù)緩存區(qū)
* @param len       命令的最大可能長度
* @return -1:       參數(shù)個數(shù)過多,其它:參數(shù)個數(shù)
*/
static int32_t cmd_arg_analyze(char *rec_buf,unsigned int len)
{
   uint32_t i;
   uint32_t blank_space_flag=0;    //空格標志
   uint32_t arg_num=0;             //參數(shù)數(shù)目
   uint32_t index[ARG_NUM];        //有效參數(shù)首個數(shù)字的數(shù)組索引
   
    /*先做一遍分析,找出參數(shù)的數(shù)目,以及參數(shù)段的首個數(shù)字所在rec_buf數(shù)組中的下標*/
    for(i=0;i<len;i++)
    {
       if(rec_buf[i]==0x20)        //為空格
       {
           blank_space_flag=1;              
           continue;
       }
        else if(rec_buf[i]==0x0D)   //換行
       {
           break;
       }
       else
       {
           if(blank_space_flag==1)
           {
                blank_space_flag=0; 
                if(arg_num < ARG_NUM)
                {
                   index[arg_num]=i;
                    arg_num++;         
                }
                else
                {
                    return -1;      //參數(shù)個數(shù)太多
                }
           }
       }
    }
   
    for(i=0;i<arg_num;i++)
    {
        cmd_analyze.cmd_arg[i]=string_to_dec((unsigned char *)(rec_buf+index[i]),len-index[i]);
    }
    return arg_num;
}

在這個函數(shù)cmd_arg_analyze()中，調(diào)用了字符轉(zhuǎn)整形函數(shù)string_to_dec()。我們只支持整形參數(shù)，這里給出一個字符轉(zhuǎn)整形函數(shù)的簡單實現(xiàn)，可以識別負號和十六進制的前綴’0x’。在這個函數(shù)中調(diào)用了三個C庫函數(shù)，分別是isdigit()、isxdigit()和tolower()，因此需要包含頭文件#include <ctype.h>。函數(shù)string_to_dec()實現(xiàn)代碼如下：

/*字符串轉(zhuǎn)10/16進制數(shù)*/
static int32_t string_to_dec(uint8_t *buf,uint32_t len)
{
   uint32_t i=0;
   uint32_t base=10;       //基數(shù)
   int32_t  neg=1;         //表示正負,1=正數(shù)
   int32_t  result=0;
   if((buf[0]=='0')&&(buf[1]=='x'))
    {
       base=16;
       neg=1;
       i=2;
    }
    else if(buf[0]=='-')
    {
       base=10;
       neg=-1;
       i=1;
    }
    for(;i<len;i++)
    {
       if(buf[i]==0x20 || buf[i]==0x0D)    //為空格
       {
           break;
       }
       
       result *= base;
       if(isdigit(buf[i]))                 //是否為0~9
       {
           result += buf[i]-'0';
       }
       else if(isxdigit(buf[i]))           //是否為a~f或者A~F
       {
            result+=tolower(buf[i])-87;
       }
       else
       {
           result += buf[i]-'0';
       }                                        
    }
    result *= neg;
    return result ;
}

6.3定義命令回調(diào)函數(shù)

我們舉兩個例子：第一個是不帶參數(shù)的例子，輸入命令后，函數(shù)返回一個“Helloworld！”字符串；第二個是帶參數(shù)的例子，我們輸入命令和參數(shù)后，函數(shù)返回每一個參數(shù)值。我們在講數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時候特別提到過命令回調(diào)函數(shù)的原型，這里要根據(jù)這個函數(shù)原型來聲明命令回調(diào)函數(shù)。

6.3.1不帶參數(shù)的命令回調(diào)函數(shù)舉例

/*打印字符串:Hello world!*/
void printf_hello(int32_t argc,void *cmd_arg)
{
   MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("Hello world!\n"));
}

6.3.2帶參數(shù)的命令行回調(diào)函數(shù)舉例

/*打印每個參數(shù)*/
void handle_arg(int32_t argc,void * cmd_arg)
{
   uint32_t i;
   int32_t  *arg=(int32_t *)cmd_arg;
    if(argc==0)
    {
       MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("無參數(shù)\n"));
    }
    else
    {
       for(i=0;i<argc;i++)
       {
           MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("第%d個參數(shù):%d\n",i+1,arg[i]));
       }
    }
}

6.4定義命令表

在講數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時候，我們定義了與命令有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每條命令需要包括命名名、最大參數(shù)、命令回調(diào)函數(shù)、幫助等信息，這里要將每條命令組織成列表的形式。

/*命令表*/
const cmd_list_struct cmd_list[]={
/*   命令    參數(shù)數(shù)目    處理函數(shù)        幫助信息                         */   
{"hello",   0,      printf_hello,   "hello                      -打印HelloWorld!"},
{"arg",     8,      handle_arg,      "arg<arg1> <arg2> ...      -測試用,打印輸入的參數(shù)"},
};

如果要定義自己的命令，只需要按照6.3節(jié)的格式編寫命令回調(diào)函數(shù)，然后將命令名、參數(shù)數(shù)目、回調(diào)函數(shù)和幫助信息按照本節(jié)格式加入到命令表中即可。

6.5命令行分析任務(wù)實現(xiàn)

有了上面的基礎(chǔ)，命令行分析任務(wù)實現(xiàn)起來就非常輕松了，源碼如下：

/*命令行分析任務(wù)*/
void vTaskCmdAnalyze( void *pvParameters )
{
   uint32_t i;
   int32_t rec_arg_num;
    char cmd_buf[CMD_LEN];      
    while(1)
    {
       uint32_t rec_num;
       ulTaskNotifyTake(pdTRUE,portMAX_DELAY);
    rec_num=get_true_char_stream(cmd_analyze.processed_buf,cmd_analyze.rec_buf);
       /*從接收數(shù)據(jù)中提取命令*/
       for(i=0;i<CMD_LEN;i++)
       {
           if((i>0)&&((cmd_analyze.processed_buf[i]==' ')||(cmd_analyze.processed_buf[i]==0x0D)))
           {
                cmd_buf[i]='\0';        //字符串結(jié)束符
                break;
           }
           else
           {
                cmd_buf[i]=cmd_analyze.processed_buf[i];
           }
       }
       rec_arg_num=cmd_arg_analyze(&cmd_analyze.processed_buf[i],rec_num);
       for(i=0;i<sizeof(cmd_list)/sizeof(cmd_list[0]);i++)
       {
           if(!strcmp(cmd_buf,cmd_list[i].cmd_name))       //字符串相等
           {
                if(rec_arg_num<0 || rec_arg_num>cmd_list[i].max_args)
                {
                    MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("參數(shù)數(shù)目過多!\n"));
                }
                else
                {
                    cmd_list[i].handle(rec_arg_num,(void *)cmd_analyze.cmd_arg);
                }
                break;
           }
       }
       if(i>=sizeof(cmd_list)/sizeof(cmd_list[0]))
       {
           MY_DEBUGF(CMD_LINE_DEBUG,("不支持的指令!\n"));
       }
    }
}

7.使用的串口工具

推薦使用SecureCRT軟件，這是我覺得最適合命令行交互的串口工具。此外，這個軟件非常強大，除了支持串口，還支持SSH、Telnet等。對于串口，SecureCRT工具還支持文件發(fā)送協(xié)議：Xmodem、Ymodem和Zmodem。這在使用串口遠程升級時很有用，可以用來發(fā)送新的程序二進制文件。我曾經(jīng)使用Ymodem做過遠程升級，以后有時間再詳細介紹SecureCRT的Ymodem功能細節(jié)。

要用于本文介紹的命令行解釋器，要對SecureCRT軟件做一些設(shè)置。