【嵌入式系统—实时操作系统】uC/OS-II 及其STM32F103移植

背景

踏入嵌入式领域，我们往往首先接触的都是单片机编程，而51也往往成为了入门首选。

而这种单片机编程通常都是指裸机编程（轮询系统/前后台系统），即没有加入 RTOS （多任务的实时操作系统）。

常用的 RTOS 有国外的 FreeRTOS、μC/OS、RTX 和国内的 Huawei LiteOS、和 RT-Thread 等。其中，开源且免费的 FreeRTOS 的市场占有率最高，历史悠久的 μC/OS 则屈居第二。

学习目的

一、项目需要。单纯的裸机系统不能完美地解决问题，反而会使编程变得更加复杂，RTOS多任务管理的优势恰恰降低了编程的难度；

二、学习的需要。要想嵌入式学得更好，就必须学习更高级的东西，这样才可以实现更好的职业规划，为将来走向人生巅峰迎娶白富美做准备，而不是一味的在裸机编程上面死磕。

那为什么不选择实时性更高一筹的μC/OS-III而选择老一版本的μC/OS-II来学习μC/OS呢？

两者原理都差不多，学习的话建议学习uC/OS-II，uC/OS-II 资料相对较多些，uC/OS-II 经过长时间的检验，非常稳定可靠。可以先学II，等使用比较熟了后，再学III。

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文章目录

一、uC/OS-II内核结构的详细分析

二、微内核 uC/OS-II 中的任务

1、那在 uC/OS-II中，任务是什么呢？

2、关于任务的数据结构？

三、微内核 uC/OS-II 的移植

一、uC/OS-II内核结构的详细分析

实时微内核 uC/OS-II ，由 Jean J. Labrosse 在 1992 年编写发行，代码开源，如下图所示。

第一部分 (1)：与硬件无关的高层的操作系统部分

大部分是关于任务的创建、信号量的创建、邮箱和队列的创建，以及它们所使用的函数库。另外，该部分还提供内存和实时时钟管理。

该部分中几个重要的.c文件
OS_Mbox.c	消息邮箱(Mailbox)服务模块文件
OS_MEM.c	存储管理服务模块文件
OS_Q.c	队列(Queue)服务模块文件
OS_SEM.c	信号量(Semaphore)服务模块文件
OS_Task.c	任务管理服务模块文件
OS_Time.c	时间管理服务模块文件

第二部分 (2)：与用户应用相关的配置头文件

主要定义了应用程序中的最大任务数、最低优先级、邮箱、信号量及钩子函数的使用情况等。

例如STM32F107评估板，其OS_CFG.H 配置头文件中的代码片段如下：

#ifndef OS_CFG_H
#define OS_CFG_H···#define OS_MAX_QS                 4    /* Max. number of queue control blocks in your application      */
#define OS_MAX_TASKS             20    /* Max. number of tasks in your application, MUST be >= 2       */···/* --------------------- TASK STACK SIZE ---------------------- */
#define OS_TASK_TMR_STK_SIZE    128    /* Timer      task stack size (# of OS_STK wide entries)        */···/* --------------------- TASK MANAGEMENT ---------------------- */
#define OS_TASK_CHANGE_PRIO_EN    1    /*     Include code for OSTaskChangePrio()                      */
#define OS_TASK_CREATE_EN         1    /*     Include code for OSTaskCreate()
···/* ----------------------- EVENT FLAGS ------------------------ */
#define OS_FLAG_EN                1    /* Enable (1) or Disable (0) code generation for EVENT FLAGS    */
#define OS_FLAG_ACCEPT_EN         1    /*     Include code for OSFlagAccept()                          */
···/* -------------------- MESSAGE MAILBOXES --------------------- */
#define OS_MBOX_EN                1    /* Enable (1) or Disable (0) code generation for MAILBOXES      */
#define OS_MBOX_ACCEPT_EN         1    /*     Include code for OSMboxAccept()                          */                    ···/* --------------------- MEMORY MANAGEMENT -------------------- */
#define OS_MEM_EN                 1    /* Enable (1) or Disable (0) code generation for MEMORY MANAGER */···
···/* ------------------------ SEMAPHORES ------------------------ */
#define OS_SEM_EN                 1    /* Enable (1) or Disable (0) code generation for SEMAPHORES     */
#define OS_SEM_ACCEPT_EN          1    /*    Include code for OSSemAccept()                            */                            ... #endif

第三部分 (3)：与硬件处理器相关的代码

由 OS_CPU.H 、 OS_CPU_A.ASM 和 OS_CPU_C.C 构成。

其中，OS_CPU_A.ASM文件由三个汇编函数组成，，如下表。

OsStartHighRdy( )	运行优先级最高的就绪任务。
Os_Task_Sw( )	任务切换函数
OsIntCtxSw( )	中断级的任务切换函数

这三个汇编函数非常重要（uC/OS-II 的移植工作大部分都基于这三个汇编函数，均与处理器硬件直接相关）

而 OS_CPU_C.C 主要包括任务堆栈的初始化函数、若干C语言的钩子函数(可以不加任何代码)。

二、微内核 uC/OS-II 中的任务

μC/OS-II 操作系统内核的主要工作——对任务进行管理和调度。

1、那在 uC/OS-II中，什么是任务呢？

“自顶向下，分而治之”的设计范型下，一个大型的任务会被分解成一个个独立的且不能再分解的若干小任务（无法返回的函数），而与上述小任务对应的程序实体就叫做“任务”，也有人称之为线程。任务的大概形式具体如下。

void Task (void *parg)
{/* 任务主体，无限循环且不能返回 */for (;;) {/* 任务主体代码 */}
}

从代码级别上看，uC/OS-II 中的任务就是一个函数，由三个部分组成：任务程序代码、任务堆栈和任务控制块。

2、关于任务的数据结构？

N 个任务用双向链表串连起来，其中每个任务的数据结构由任务控制块(Task Control Block-TCB)和任务堆栈组成。

① 任务控制块：关联了任务代码的程序控制块（主要由指向任务堆栈的指针、指向前一个任务控制块的指针、指向后一个任务控制块的指针及任务的优先级等构成）。

任务控制块TCB的部分代码片段（在/uCOS-II/.../source/ucos_ii. h中），如下：

typedef struct os_tcb {OS_STK          *OSTCBStkPtr;           /* Pointer to current top of stack                         */···struct os_tcb   *OSTCBNext;             /* Pointer to next     TCB in the TCB list                 */struct os_tcb   *OSTCBPrev;             /* Pointer to previous TCB in the TCB list                 */···void            *OSTCBMsg;              /* Message received from OSMboxPost() or OSQPost()         */···INT32U           OSTCBDly;              /* Nbr ticks to delay task or, timeout waiting for event   */INT8U            OSTCBStat;             /* Task      status                                        */INT8U            OSTCBStatPend;         /* Task PEND status                                        */INT8U            OSTCBPrio;             /* Task priority (0 == highest)                            */INT8U            OSTCBX;                /* Bit position in group  corresponding to task priority   */INT8U            OSTCBY;                /* Index into ready table corresponding to task priority   */···INT8U            OSTCBDelReq;           /* Indicates whether a task needs to delete itself         */INT32U           OSTCBCtxSwCtr;         /* Number of time the task was switched in                 */INT32U           OSTCBCyclesTot;        /* Total number of clock cycles the task has been running  */INT32U           OSTCBCyclesStart;      /* Snapshot of cycle counter at start of task resumption   */OS_STK          *OSTCBStkBase;          /* Pointer to the beginning of the task stack              */INT32U           OSTCBStkUsed;          /* Number of bytes used from the stack                     */INT8U           *OSTCBTaskName;INT32U           OSTCBRegTbl[OS_TASK_REG_TBL_SIZE];
} OS_TCB;

② 任务堆栈：保存任务的工作环境（主要用来保存任务断点的寄存器的状态值，在ARM处理器中则用于保存 PC、LR、 R0-R12、CPSR、SPSR 的状态值。任务堆栈在文件 os_cpu_c.c 中进行初始化）。

其堆栈初始化代码（在/Ports/.../RealView/os_cpu_c.c中），如下：

OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{OS_STK *stk;(void)opt;                                   /* 'opt' is not used, prevent warning                 */stk       = ptos;                            /* Load stack pointer                                 *//* Registers stacked as if auto-saved on exception    */*(stk)    = (INT32U)0x01000000uL;            /* xPSR                                               */*(--stk)  = (INT32U)task;                    /* Entry Point                                        */*(--stk)  = (INT32U)OS_TaskReturn;           /* R14 (LR)                                           */*(--stk)  = (INT32U)0x12121212uL;            /* R12                                                */*(--stk)  = (INT32U)0x03030303uL;            /* R3                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x02020202uL;            /* R2                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x01010101uL;            /* R1                                                 */*(--stk)  = (INT32U)p_arg;                   /* R0 : argument                                      *//* Remaining registers saved on process stack         */*(--stk)  = (INT32U)0x11111111uL;            /* R11                                                */*(--stk)  = (INT32U)0x10101010uL;            /* R10                                                */*(--stk)  = (INT32U)0x09090909uL;            /* R9                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x08080808uL;            /* R8                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x07070707uL;            /* R7                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x06060606uL;            /* R6                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x05050505uL;            /* R5                                                 */*(--stk)  = (INT32U)0x04040404uL;            /* R4                                                 */return (stk);
}

③ 任务程序代码：任务的执行部分。

三、微内核 uC/OS-II 的移植

1、在原有的STM32工程添加相应目录

原有SMT32工程文件夹下，新建一个目录uCOS-II，并在该目录下新建两个子目录：Ports和Source；

MDK工程目录下，新建uCOS-II_Source组、uCOS-II_Ports组。

2、添加源码文件到刚刚新建的目录下

（1）添加文件到本地工程文件夹

① /uCOS-II/Source文件下除os_cfg_c.h和os_dbg_r.c全部复制到移植工程目录下的Source子目录下

② /uCOS-II/Ports/ARM-Cortex-M3/Generic/RealView下的全部文件拷贝到移植目录的Ports子目录下

③ EvalBoards/Micrium/uC-Eval-STM32F107/uCOS-II下的app_cfg.h、includes.h 、 os_cfg.h和app_hooks.c（主要定义了一些钩子函数）这四个文件拷贝到移植工程的APP目录下。

（2）添加文件到MDK工程目录

分别在uCOS-II_Source组、uCOS-II_Ports组、APP组导入相应的本地工程文件。

3、修改includes.h

/*
*********************************************************************************************************
*                                              EXAMPLE CODE
*
*                          (c) Copyright 2003-2013; Micrium, Inc.; Weston, FL
*
*               All rights reserved.  Protected by international copyright laws.
*               Knowledge of the source code may NOT be used to develop a similar product.
*               Please help us continue to provide the Embedded community with the finest
*               software available.  Your honesty is greatly appreciated.
*********************************************************************************************************
*//*
*********************************************************************************************************
*
*                                           MASTER INCLUDES
*
*                                     ST Microelectronics STM32
*                                              on the
*
*                                     Micrium uC-Eval-STM32F107
*                                        Evaluation Board
*
* Filename      : includes.h
* Version       : V1.00
* Programmer(s) : EHS
*********************************************************************************************************
*/#ifndef  INCLUDES_PRESENT
#define  INCLUDES_PRESENT/*
*********************************************************************************************************
*                                         STANDARD LIBRARIES
*********************************************************************************************************
*/#include  <stdarg.h>
#include  <stdio.h>
#include  <stdlib.h>
#include  <math.h>/*
*********************************************************************************************************
*                                              LIBRARIES
*********************************************************************************************************
*///#include  <cpu.h>
//#include  <lib_def.h>
//#include  <lib_ascii.h>
//#include  <lib_math.h>
//#include  <lib_mem.h>
//#include  <lib_str.h>/*
*********************************************************************************************************
*                                              APP / BSP
*********************************************************************************************************
*/#include  "bsp.h"/*
*********************************************************************************************************
*                                                 OS
*********************************************************************************************************
*/#include <ucos_ii.h>/*
*********************************************************************************************************
*                                                 ST
*********************************************************************************************************
*//*
*********************************************************************************************************
*                                            INCLUDES END
*********************************************************************************************************
*/#endif

4、修改main.c

/******************************************************************************
* File       : main.c
* Function   : 主文件
* Description: None
* Version    : V1.00
* Author     : WXP
* Date       :
* History    :
******************************************************************************/#include "includes.h"//START 任务
//设置任务优先级
#define START_TASK_PRIO         10 //开始任务的优先级设置为最低
//设置任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE      64
//任务堆栈
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
//任务函数
void start_task(void *pdata);//LED0任务
//设置任务优先级
#define LED0_TASK_PRIO          7
//设置任务堆栈大小
#define LED0_STK_SIZE           64
//任务堆栈
OS_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE];
//任务函数
void led0_task(void *pdata);//LED1任务
//设置任务优先级
#define LED1_TASK_PRIO          6
//设置任务堆栈大小
#define LED1_STK_SIZE   64
//任务堆栈
OS_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];
//任务函数
void led1_task(void *pdata);int main(void)
{Bsp_Init();OSInit();   OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务OSStart();       while(1){}
}//开始任务
void start_task(void *pdata)
{OS_CPU_SR cpu_sr=0;pdata = pdata;OS_ENTER_CRITICAL();  //进入临界区(无法被中断打断)    OSTaskCreate(led0_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE-1],LED0_TASK_PRIO);     OSTaskCreate(led1_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE-1],LED1_TASK_PRIO);          OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO);  //挂起起始任务.OS_EXIT_CRITICAL();    //退出临界区(可以被中断打断)
}//LED0任务
void led0_task(void *pdata)
{    while(1){LED2(ON);OSTimeDlyHMSM(0,0,0,200);LED2(OFF);OSTimeDlyHMSM(0,0,0,200);}
}//LED1任务
void led1_task(void *pdata)
{     while(1){LED3(ON);OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);LED3(OFF);OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);}
}

5、修改uCOS-II_Ports下的os_cpu_a.asm

① 第一处

EXPORT  OS_CPU_PendSVHandler 改为 EXPORT  PendSVHandler。

② 第二处

③ 第三个要改的：

将stm32f10x_it.c中的PendSV_Handler函数注释掉

6、修改bsp_systick.c

① 添加代码，如下

#include "includes.h"

② 在void SysTick_Init (void)函数中，修改为Syslick_Config(SystemCoreCIock OS_TICKS_PER_SEC//滴答时钟定时周期为1ms。

③ 第三处

7、修改uCOS-II_Ports文件夹下的os_cpu_c.c中的关于systick的配置初始化及中断处理部分

更新中···

8、uCOS-II_Ports文件夹下的os_cpu.h，注释掉我们刚才修改过的函数部分

更新中···