STM32移植UCOSIII

本文最后更新于：2023年10月3日 下午

STM32移植UCOSIII

  早期嵌入式Q开发没有嵌入式操作系统的概念，直接操作裸机，在裸机上写程序，比如用51单片机基本就没有操作系统的概念。通常把程序分为两部分：前台系统和后台系统。传统简单的小系统通常是前后台系统，这样的程序包括一个死循环和若干个中断服务程序：应用程序是一个无限循环，循环中调用API函数完成所需的操作，这个大循环就叫做后台系统。中断服务程序用于处理系统的异步事件，也就是前台系统。前台是中断级，后台是任务级。

  在前后台系统下，所有的任务的优先级是平等的，且是以FIFO的方式排列。也就是说，后面的任务必须等待前面的任务都完成之后才可以执行。在前后台系统下，实时性非常差，而且随着任务数量的增多，实时性会愈差。就好像我们上课时突然内急（优先级很高)，需要立刻去WC，但是却不得不等到下课（优先级不高）。这种情况下在程序上表现出来可能就是数据丢失，或者响应慢（比如步进电机过冲）等效果了。尽管也可以利用定时器等手段去手动分配时间片来增强实时性，但这样的方法容易造成程序的高度耦合，与程序开发的“高内聚，低耦合”相悖，这样的代码肯定是很难管理和维护的。

  而在RTOS实时操作系统下进行程序开发，每个任务都是独立运行的一个有限次或无限次循环，一般情况下不会互相影响（除非栈溢出等因素），因而很容易管理和维护。每个任务都可以设置优先级，RTOS的内核大多都是可抢占式的。高优先级的任务一但就绪就可以夺走低优先级任务的CPU使用权，实时性相比于前后台系统大幅度提高。而且RTOS会提供一些内核对象供用户使用，比如信号量，常用作任务同步和共享资源保护等。

  uC/OS-Ⅲ（Micro C OS Three微型的 C 语言编写的操作系统第3版）是一个可升级的，可固化的，基于优先级的实时内核，属于一种RTOS实时操作系统。它对任务的个数无限制。uC/OS-Ⅲ是一个第3代的系统内核，支持现代的实时内核所期待的大部分功能。例如资源管理，同步，任务间的通信等等。然而，uC/OS-Ⅲ提供的特色功能在其它的实时内核中是找不到的，比如说完备的运行时间测量性能，直接地发送信号或者消息到任务，任务可以同时等待多个内核对象等。

参考

STM32CubeIDE 复制工程使用CubeMX配置生成后src文件夹内容被删除（移除）_sudaroot的博客-CSDN博客

[野火]uCOS-III内核实现与应用开发实战指南—基于STM32

Weston Embedded Solutions · GitHub

2023年新版手把手教你学UCOS-III — 正点原子资料下载中心 1.0.0 文档 (openedv.com)

第6讲 UCOSIII移植_哔哩哔哩_bilibili

使用RTOS做单片机开发有什么优势 - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

RTOS实时操作系统杂谈 - 知乎 (zhihu.com)

一、ucosⅢ源码下载

uc-OS3源码：weston-embedded/uC-OS3 at v3.08.01 (github.com)

uc-LIB源码：weston-embedded/uC-LIB at v1.39.01 (github.com)

uc-CPU源码：weston-embedded/uC-CPU at v1.32.01 (github.com)

二、ucosⅢ源码结构

ucosⅢ源码架构

三、工程添加4个分组【官方源码文件】

Keil工程分组 添加文件 备注
（19个文件）
uC_OS3/OS ./uC_OS3/uC-OS3/Cfg/Template/os_app_hooks.c 包含了8 个空的能被uC/OS-III 调用的hook0 函数。
./uC_OS3/uC-OS3/Ports/ARM-Cortex-M/ARMv7-M/ARM/os_cpu_a.asm 包含了汇编语言定义的函数。至少需包含OSCtxSW()，OSIntCtxSW()，OSStartHighRdy()的定义
./uC_OS3/uC-OS3/Ports/ARM-Cortex-M/ARMv7-M/os_cpu_c.c 包含了C 代码编写的hook 函数以及初始化任务创建时堆栈框架的相关代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_cfg_app.c 申明变量和数组（基于OS_CFG_APP.H 中的变量类型）
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_core.c 包含uC/OS-III 的核心函数如OSInit()，OSSchedule()，OSIntExit()等等
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_dbg.c 申明了关于内核调试器或uC/Probe 的常量
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_flag.c 包含了时间管理相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_mem.c 包含了uC/OS-III 内存管理相关代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_msg.c 包含了消息处理相关代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_mutex.c 包含了与互斥信号量相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_prio.c 包含了管理任务优先级相关的代码。这个文件可以被改为同等功能的汇编语言写的文件（如果CPU 支持位设置，位清除指令，计数清零指令）以提高性能。
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_q.c 包含了管理消息队列相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_sem.c 包含了管理与资源、同步相关的信号量代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_stat.c 包含了与统计任务相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_task.c 包含了与管理任务相关的代码如OSTaskCreate()，OSTaskDel()，OSTaskChangePrio()等函数
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_tick.c 包含了与任务延时，任务停止相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_time.c 包含了任务定时相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_tmr.c 包含了管理软件定时器相关的代码
./uC_OS3/uC-OS3/Source/os_var.c 包含了uC/OS-III 的全局变量，这些变量都是用于管理uC/OS-III 的，不应该被用户的代码访问
（2个文件）
uC_OS3/BSP ./uC_OS3/uC-CPU/BSP/Template/bsp_cpu.c
./uC_OS3/uC-OS3/Template/bsp_os_dt.c
（3个文件）
uC_OS3/CPU ./uC_OS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M/ARMv7-M/cpu_c.c 特定CPU 架构的C语言代码。一般来说，如果函数能用C 编写就用C 编写，除非用汇编编写能够产生更高的性
./uC_OS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M/ARMv7-M/ARM/cpu_a.asm 包含了汇编语言编写的函数用于关中断，开中断，计数清零（如果CPU 支持这条汇编指令的话），其它CPU 相关的只能用汇编编写的函数。这个文件也包含开启caches，设置MPUs 和MMU 等等。
./uC_OS3/uC-CPU/cpu_core.c 适应于所有架构 CPU 的代码。包含了测量 CPU 关中断时间相关函数的代码。
（4个文件）
uC_OS3/LIB ./uC_OS3/uC-LIB/lib_ascii.c 包含将一些标准库函数（如 tolower()、toupper()、isalpha()、isdigit() 等）分别替换为 uC/LIB 对应函数 ASCII_ToLower()、ASCII_ToUpper()、ASCII_IsAlpha() 和ASCII_IsDig() 的源代码。
./uC_OS3/uC-LIB/lib_math.c 包含将一些标准库函数（如 rand()、srand()等）分别替换为 uC/LIB 对应函数 Math_Rand()、Math_SetSeed()的源代码
./uC_OS3/uC-LIB/lib_mem.c 包含将一些标准库函数，（如 memclr()、memset()、memcpy()、memcmp() 等）分别替换为 uC/LIB 对应函数Mem_Clr()、Mem_Set()、Mem_Copy ()、Mem_Cmp() 的源代码
./uC_OS3/uC-LIB/lib_str.c 包含将一些标准库函数，（如strlen()、strcpy()、strcat()、strcmp()等）分别替换为 uC/LIB 对应函数Str_Len()、Str_Copy()、Str_Cat()、Str_Cmp()的源代码

四、添加头文件路径

包含头文件文件夹路径
.._OS3-CPU
.._OS3-CPU-Cortex-M-M
.._OS3-CPU
.._OS3-LIB
.._OS3-LIB
.._OS3-OS3
.._OS3-OS3-Cortex-M-M
.._OS3-OS3

五、修改System文件【正点原子自定义文件】

直接拷贝正点原子项目中的文件，添加进项目分组即可

头文件 源文件 备注
uart.h uart.c 调试用串口函数定义（相应修改为cubemx代码结构，可删除）
sys.h sys.c 系统配置定义（相应修改为cubemx代码结构，去除配置系统时钟函数）
delay.h delay.c 延时函数定义（相应修改为cubemx代码结构）

六、替换中断服务函数

startup_stm32h743xx.s文件中的PendSV_Handler替换成OS_CPU_PendSVHandler

七、修改配置文件

使用正点原子配置文件（内容替换 或 按如下配置）

文件 修改内容 说明
./uC_OS3/uC-CPU/Cfg/Template/cpu_cfg.h #define CPU_CFG_NAME_EN DEF_ENABLED #define CPU_CFG_TS_32_EN DEF_ENABLED 开启Configure CPU count leading zeros bits 开启Configure CPU count trailing zeros bits 开启#define CPU_CFG_ENDIAN_TYPE CPU_ENDIAN_TYPE_LITTLE 开启#define CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS 4u 启用CPU 主机名 启用 32 位 CPU 时间戳功能 定义前导零位计数函数。 定义尾零位计数函数 重写 cpu.h 中定义的默认 CPU 端位类型为小端 确定可编程中断优先级[7:4]
/uC_OS3/uC-LIB/Cfg/Template/lib_cfg.h #define LIB_MEM_CFG_HEAP_SIZE 0u 禁用堆分配功能
./uC_OS3/uC-OS3/Cfg/Template/os_cfg_app.h
./uC_OS3/uC-OS3/Cfg/Template/os_cfg.h #define OS_CFG_APP_HOOKS_EN 0u #define OS_CFG_TS_EN 1u #define OS_CFG_PRIO_MAX 32u #define OS_CFG_TASK_REG_TBL_SIZE 0u #define OS_CFG_TASK_STK_REDZONE_EN 1u 禁用应用程序特定的钩子 启用时间标记 定义任务优先级的最大数量32 任务专用寄存器数量0 启用堆栈红区，以便在调试时检测堆栈溢出

八、添加自定义功能代码

（1）STM32CubeMX配置说明（更详细的配置自行上网查询）

  • 复制工程前后或使用图形化配置前记得先把文件夹下的.mxproject文件删除即可
  • 外部有源晶振BYPASS Clock Source
  • 外部无源晶振Crystal/Ceramic Resonator
  • 功率调节器电压级别Power Regulator Voltage Scale限制最高工作频率
  • IO引脚为黄色表示未激活，需要进行相应配置
GPIO默认电平设置 说明（一般在检测输入信号时设置）
No pull--up and no pull-down 不使用内部电阻（用于输出模式）
pull-up 上拉电阻，初始化为高电平
pull-down 下拉电阻，初始化为低电平

（2）LED灯功能代码

1.文件led.h

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#ifndef _LED_H
#define _LED_H
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"

extern uint8_t key;
extern uint8_t LED2_sta;

#define LED2(n) (n ? HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET) : HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET)) // 设置LED状态
#define LED2_Toggle (HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1))                                                                     // LED1输出电平翻转

#endif

2.文件led.c

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#include "led.h"

uint8_t key;
uint8_t LED2_sta = 0;

（3）Key按键功能代码

1.文件key.h

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#ifndef _KEY_H
#define _KEY_H
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"

#define KEY1 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE, GPIO_PIN_3) // KEY1按键PE3
#define KEY2 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_5) // KEY2按键PC5

#define KEY1_PRES 1 // KEY1按下后返回值
#define KEY2_PRES 2 // KEY2按下后返回值

void KEY_Init(void);            // 按键IO初始化函数
uint8_t KEY_Scan(uint8_t mode); // 按键扫描函数
#endif

2.文件key.c

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#include "key.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"

// 按键处理函数
// 返回按键值
// mode:0,不支持连续按;1,支持连续按;
// 0，没有任何按键按下
// 1，WKUP按下 WK_UP
// 注意此函数有响应优先级,KEY1>KEY2

uint8_t KEY_Scan(uint8_t mode)
{
    static uint8_t key_up = 1; // 按键松开标志
    if (mode == 1)
        key_up = 1; // 支持连按
    if (key_up && (KEY1 == 0 || KEY2 == 0))
    {
        delay_ms(10);
        key_up = 0;
        if (KEY1 == 0)
            return KEY1_PRES;
        else if (KEY2 == 0)
            return KEY2_PRES;
    }
    else if (KEY1 == 1 && KEY2 == 1)
        key_up = 1;
    return 0; // 无按键按下
}

（4）uC_OS3用户代码

1.文件uC_OS3.h

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#ifndef __UC_OS3_H__
#define __UC_OS3_H__

void uc_os3(void);

#endif

2.文件uC_OS3.c

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#include "uC_OS3.h"
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"

/*uC/OS-III*********************************************************************************************/
#include "os.h"
#include "cpu.h"
/******************************************************************************************************/
/*uC/OS-III配置*/

/* START_TASK 任务 配置
 * 包括: 任务优先级 任务栈大小 任务控制块 任务栈 任务函数
 */
#define START_TASK_PRIO 5
#define START_TASK_STACK_SIZE 256
CPU_STK start_task_stack[START_TASK_STACK_SIZE];
OS_TCB start_task_tcb;
void start_task(void *p_arg);

/* TASK1 任务 配置
 * 包括: 任务优先级 任务栈大小 任务控制块 任务栈 任务函数
 */
#define TASK1_PRIO 4
#define TASK1_STACK_SIZE 256
CPU_STK SetLed_task1_stack[TASK1_STACK_SIZE];
OS_TCB task1_tcb;
void SetLed(void *p_arg);

/* TASK2 任务 配置
 * 包括: 任务优先级 任务栈大小 任务控制块 任务栈 任务函数
 */
#define TASK2_PRIO 3
#define TASK2_STACK_SIZE 256
CPU_STK ScanKey_task2_stack[TASK2_STACK_SIZE];
OS_TCB task2_tcb;
void ScanKey(void *p_arg);

void uc_os3(void)
{
    OS_ERR err;

    // 初始化uC/OS-III
    OSInit(&err);
    OSTaskCreate((OS_TCB *)&start_task_tcb,
                 (CPU_CHAR *)"start_task",
                 (OS_TASK_PTR)start_task,
                 (void *)0,
                 (OS_PRIO)START_TASK_PRIO,
                 (CPU_STK *)&start_task_stack[0],
                 (CPU_STK_SIZE)START_TASK_STACK_SIZE / 10,
                 (CPU_STK_SIZE)START_TASK_STACK_SIZE,
                 (OS_MSG_QTY)0,
                 (OS_TICK)0,
                 (void *)0,
                 (OS_OPT)(OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR),
                 (OS_ERR *)&err);
    if (err != OS_ERR_NONE)
    {
        // The task didn't get created. Look up the value of the error code ...
        // ... in OS.H for the meaning of the error
    }
    OSStart(&err); // 开始任务调度
}

void start_task(void *p_arg)
{
    OS_ERR err;
    CPU_SR_ALLOC();
    CPU_Init();

#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u // 开启统计任务
    OSStatTaskCPUUsageInit(&err);
#endif

#ifdef CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN // 如果使能了测量中断关闭时间
    CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
#endif

#if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN                 // 当使用时间片轮转的时候
    OSSchedRoundRobinCfg(DEF_ENABLED, 1, &err); // 使能时间片轮转调度功能,设置默认的时间片长度
#endif

    CPU_CRITICAL_ENTER(); /* 进入临界区 */
    /* 创建task1 */
    // task1_stack = mymalloc(SRAMIN, TASK1_STACK_SIZE * sizeof(CPU_STK));
    OSTaskCreate((OS_TCB *)&task1_tcb,
                 (CPU_CHAR *)"SetLed",
                 (OS_TASK_PTR)SetLed,
                 (void *)0,
                 (OS_PRIO)TASK1_PRIO,
                 (CPU_STK *)SetLed_task1_stack,
                 (CPU_STK_SIZE)TASK1_STACK_SIZE / 10,
                 (CPU_STK_SIZE)TASK1_STACK_SIZE,
                 (OS_MSG_QTY)0,
                 (OS_TICK)0,
                 (void *)0,
                 (OS_OPT)(OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR),
                 (OS_ERR *)&err);

    /* 创建task2 */
    // task2_stack = mymalloc(SRAMIN, TASK2_STACK_SIZE * sizeof(CPU_STK));
    OSTaskCreate((OS_TCB *)&task2_tcb,
                 (CPU_CHAR *)"ScanKey",
                 (OS_TASK_PTR)ScanKey,
                 (void *)0,
                 (OS_PRIO)TASK2_PRIO,
                 (CPU_STK *)ScanKey_task2_stack,
                 (CPU_STK_SIZE)TASK2_STACK_SIZE / 10,
                 (CPU_STK_SIZE)TASK2_STACK_SIZE,
                 (OS_MSG_QTY)0,
                 (OS_TICK)0,
                 (void *)0,
                 (OS_OPT)(OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR),
                 (OS_ERR *)&err);

    CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界区 */
    OSTaskDel((OS_TCB *)0, &err);
}

/* 实现LED0每500ms反转一次 */
void SetLed(void *p_arg)
{
    OS_ERR err;
    while (1)
    {
        printf("task1正在运行！！！\r\n");
        LED2_sta = !LED2_sta;

        LED2(LED2_sta);
        OSTimeDly(500, OS_OPT_TIME_DLY, &err);
    }
}

/* 检测按键输入，挂起和恢复任务 */
void ScanKey(void *p_arg)
{
    OS_ERR err;
    while (1)
    {
        // printf("task3正在运行！！！\r\n");
        key = KEY_Scan(0);
        if (key == KEY1_PRES)
        {
            printf("挂起task1\r\n");
            OSTaskSuspend(&task1_tcb, &err);
        }
        else if (key == KEY2_PRES)
        {
            printf("恢复task1\r\n");
            OSTaskResume(&task1_tcb, &err);
        }

        OSTimeDly(10, OS_OPT_TIME_DLY, &err);
    }
}

（5）main函数内容

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/**
 * @brief  The application entry point.
 * @retval int
 */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_QUADSPI_Init();
  MX_DCMI_Init();
  // MX_SDMMC1_SD_Init();
  MX_SPI2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  uc_os3();

九、关于实时操作系统的两个误区：

（1）误区一：一定能提高系统响应速度？

  不一定。因为实时操作系统本身引入了执行开销，所以对于小型应用来说，有RTOS的性能也许不如无操作系统的情况。实时操作系统的优势最能体现在中大型系统中，当任务间存在复杂的耦合和依赖关系，并且应用程序经常要长时间等待外部资源时。

（2）误区二：一定可以保证系统实时性？

  不一定。相对来说，使用实时系统可以改善系统的实时性。但是实时操作系统只是作为工具存在的，如果需要提供实时性保障，还需要使用实时系统理论对任务的可调度性和响应时间进行分析，才可以得到科学、系统的响应性保障。