多任务程序设计
任务要求：学习嵌入式实时操作系统（RTOS）,以uc/OS-III为例，将其移植到stm32F103上，构建至少3个任务（task）:其中两个task分别以1s和3s周期对LED等进行点亮-熄灭的控制；另外一个task以2s周期通过串口发送“hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境！”。记录详细的移植过程。
一、建立CubeMX工程
在CubeMX新建工程，选择所需要的芯片
配置SYS
配置RCC
配置USART1
选择端口进行配置，我这里选择PA3和PC13
配置时钟
设置 Project Manager
之后生成代码
二、下载uC/OS-III源码
1. 官网下载
进入 Micrium 公司官网下载中心：http://micrium.com/downloadcenter/
2. 网盘下载
因为官网下载较慢，在网盘下载链接https://pan.baidu.com/s/1EAJGt571yzFIhsRSev1Nagt，提取码：lhhs
下载完成后如图
三、移植uC/OS-III
将下载的以下五个文件复制到新建的CubeMX工程的MDK-ARM文件夹中
打开keil工程，点击Manage Project Items，添加6个文件夹
点击CPU–>Add Files，在MDK-ARM\uC-CPU路径下选中以下文件，Add添加；然后MDK-ARM\uC-CPU\ARM-Cortex-M3\RealView路径下选中以下文件，Add添加
继续点击LIB–>Add Files，选择MDK-ARM\uC-LIB路径下的文件，Add添加；再选择MDK-ARM\uC-LIB\Ports\ARM-Cortex-M3\RealView路径下选中下图文件，Add添加
点击PORT–>Add Files，选择MDK-ARM\uCOS-III\Ports\ARM-Cortex-M3\Generic\RealView路径下选中以下文件，Add添加
点击SOURCE–>Add Files，选择MDK-ARM\uCOS-III\Source路径下选中以下全部 .c .h 文件，Add添加
点击CONFIG–>Add Files，选择MDK-ARM\uC-CONFIG路径下选中以下全部文件，Add添加
点击BSP–>Add Files，选择MDK-ARM\uC-BSP路径下选中以下全部文件，Add添加
到此文件添加全部完成。接下来是路径添加，点击魔术棒->C/C++，选择"include paths",完成相关的路径添加
四、相关代码的编写
1.为bsp.c和bsp.h添加代码：
bsp.h代码如下
#ifndef __BSP_H__
#define __BSP_H__
#include "stm32f1xx_hal.h"
void BSP_Init(void);
#endif
bsp.c代码如下
// bsp.c
#include "includes.h"
#define DWT_CR *(CPU_REG32 *)0xE0001000
#define DWT_CYCCNT *(CPU_REG32 *)0xE0001004
#define DEM_CR *(CPU_REG32 *)0xE000EDFC
#define DBGMCU_CR *(CPU_REG32 *)0xE0042004
#define DEM_CR_TRCENA (1 << 24)
#define DWT_CR_CYCCNTENA (1 << 0)
CPU_INT32U BSP_CPU_ClkFreq (void)
{
return HAL_RCC_GetHCLKFreq();
}
void BSP_Tick_Init(void)
{
CPU_INT32U cpu_clk_freq;
CPU_INT32U cnts;
cpu_clk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
#if(OS_VERSION>=3000u)
cnts = cpu_clk_freq/(CPU_INT32U)OSCfg_TickRate_Hz;
#else
cnts = cpu_clk_freq/(CPU_INT32U)OS_TICKS_PER_SEC;
#endif
OS_CPU_SysTickInit(cnts);
}
void BSP_Init(void)
{
BSP_Tick_Init();
MX_GPIO_Init();
}
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
void CPU_TS_TmrInit (void)
{
CPU_INT32U cpu_clk_freq_hz;
DEM_CR |= (CPU_INT32U)DEM_CR_TRCENA; /* Enable Cortex-M3's DWT CYCCNT reg. */
DWT_CYCCNT = (CPU_INT32U)0u;
DWT_CR |= (CPU_INT32U)DWT_CR_CYCCNTENA;
cpu_clk_freq_hz = BSP_CPU_ClkFreq();
CPU_TS_TmrFreqSet(cpu_clk_freq_hz);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
CPU_TS_TMR CPU_TS_TmrRd (void)
{
return ((CPU_TS_TMR)DWT_CYCCNT);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_32_EN == DEF_ENABLED)
CPU_INT64U CPU_TS32_to_uSec (CPU_TS32 ts_cnts)
{
CPU_INT64U ts_us;
CPU_INT64U fclk_freq;
fclk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
ts_us = ts_cnts / (fclk_freq / DEF_TIME_NBR_uS_PER_SEC);
return (ts_us);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_64_EN == DEF_ENABLED)
CPU_INT64U CPU_TS64_to_uSec (CPU_TS64 ts_cnts)
{
CPU_INT64U ts_us;
CPU_INT64U fclk_freq;
fclk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
ts_us = ts_cnts / (fclk_freq / DEF_TIME_NBR_uS_PER_SEC);
return (ts_us);
}
#endif
2.修改部分文件相关代码
首先打开startup_stm32f103xb.s文件，在以下图示位置处将PendSV_Handler改为OS_CPU_PendSVHandler，将SysTick_Handler改为OS_CPU_SysTickHandler
打开app_cfg.h文件，把DEF_ENABLED 改为 DEF_DISABLED
再把#define APP_TRACE BSP_Ser_Printf 改为 #define APP_TRACE(void)
再打开includes.h文件，在#include <bsp.h>下面添加 #include “gpio.h”； #include “app_cfg.h”
将#include <stm32f10x_lib.h> 改为 #include “stm32f1xx_hal.h”
打开lib_cfg.h文件，按下图所示修改为5。（该处宏定义设置堆空间的大小，STM32F103C8T6的RAM只有20K，所以要改小一点）
打开usart.c文件在图示位置添加代码完成printf重定向，具体代码如下
/* USER CODE BEGIN 1 */
typedef struct __FILE FILE;
int fputc(int ch,FILE *f){
HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,0xffff);
return ch;
}
/* USER CODE END 1 */
在gpio.c文件中图示位置修改代码
void MX_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
/*Configure GPIO pin : PC13|PA3 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_3;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
修改main.c文件，完整代码如下
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "gpio.h"
#include "usart.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <includes.h>
#include "stm32f1xx_hal.h"
/* USER CODE END Includes */
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
/* USER CODE END PTD */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* 任务优先级 */
#define START_TASK_PRIO 3
#define LED0_TASK_PRIO 4
#define MSG_TASK_PRIO 5
#define LED1_TASK_PRIO 6
/* 任务堆栈大小 */
#define START_STK_SIZE 96
#define LED0_STK_SIZE 64
#define MSG_STK_SIZE 64
#define LED1_STK_SIZE 64
/* 任务栈 */
CPU_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
CPU_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE];
CPU_STK MSG_TASK_STK[MSG_STK_SIZE];
CPU_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];
/* 任务控制块 */
OS_TCB StartTaskTCB;
OS_TCB Led0TaskTCB;
OS_TCB MsgTaskTCB;
OS_TCB Led1TaskTCB;
/* USER CODE END PD */
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
/* USER CODE END PM */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
/* 任务函数定义 */
void start_task(void *p_arg);
static void AppTaskCreate(void);
static void AppObjCreate(void);
static void led_pc13(void *p_arg);
static void send_msg(void *p_arg);
static void led_pa3(void *p_arg);
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
/* USER CODE END PFP */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/* USER CODE END 0 */
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
OS_ERR err;
OSInit(&err);
HAL_Init();
SystemClock_Config();
//MX_GPIO_Init(); 这个在BSP的初始化里也会初始化
MX_USART1_UART_Init();
/* 创建任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB *)&StartTaskTCB, /* Create the start task */
(CPU_CHAR *)"start task",
(OS_TASK_PTR ) start_task,
(void *) 0,
(OS_PRIO ) START_TASK_PRIO,
(CPU_STK *)&START_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE) START_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE) START_STK_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);
/* 启动多任务系统，控制权交给uC/OS-III */
OSStart(&err); /* Start multitasking (i.e. give control to uC/OS-III). */
}
void start_task(void *p_arg)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
p_arg = p_arg;
/* YangJie add 2021.05.20*/
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
//CPU_Init();
//Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); //统计任务
#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
//使能时间片轮转调度功能,时间片长度为1个系统时钟节拍，既1*5=5ms
OSSchedRoundRobinCfg(DEF_ENABLED,1,&err);
#endif
OS_CRITICAL_ENTER(); //进入临界区
/* 创建LED0任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&Led0TaskTCB,
(CPU_CHAR * )"led_pc13",
(OS_TASK_PTR )led_pc13,
(void * )0,
(OS_PRIO )LED0_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&LED0_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)LED0_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)LED0_STK_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LED1任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&Led1TaskTCB,
(CPU_CHAR * )"led_pa3",
(OS_TASK_PTR )led_pa3,
(void * )0,
(OS_PRIO )LED1_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&LED1_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)LED1_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)LED1_STK_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MSG任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&MsgTaskTCB,
(CPU_CHAR * )"send_msg",
(OS_TASK_PTR )send_msg,
(void * )0,
(OS_PRIO )MSG_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&MSG_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)MSG_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)MSG_STK_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);
OS_TaskSuspend((OS_TCB*)&StartTaskTCB,&err); //挂起开始任务
OS_CRITICAL_EXIT(); //进入临界区
}
/**
* 函数功能: 启动任务函数体。
* 输入参数: p_arg 是在创建该任务时传递的形参
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void led_pc13 (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
static void led_pa3 (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_RESET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 3, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_SET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 3, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
static void send_msg (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
printf("hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境 \r\n");
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* 函数功能: 创建应用任务
* 输入参数: p_arg 是在创建该任务时传递的形参
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void AppTaskCreate (void)
{
}
/**
* 函数功能: uCOSIII内核对象创建
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void AppObjCreate (void)
{
}
/* USER CODE END 4 */
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
/* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/
最后按照下图进行配置
所有步骤完成，进行编译
五、串口发送与接收
编译完成后进行烧录，之后打开串口，实验结果如下
实验结果
串口接收
六、实验总结
RTOS实时操作系统：RTOS是专为嵌入式系统设计的操作系统，它能够管理多个任务、分配系统资源，并确保任务的实时性。它在汽车、飞机、工业机器人、医疗设备等对实时性要求极高的领域中得到广泛应用。
uc/OS-III操作系统：uc/OS-III是一个可预占的、实时操作系统，具有丰富的功能和良好的可移植性。它提供了任务管理、同步、通信和内存管理等核心服务。
通过本次实验，我深刻理解了RTOS的概念和工作原理，特别是在STM32F103上移植uc/OS-III的过程中，我学习到了如何配置硬件、如何修改BSP以适应硬件平台、以及如何创建和管理任务。这些经验不仅加深了对嵌入式系统开发的理解，也为未来在更复杂的项目中应用RTOS打下了坚实的基础
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