一步步建立 STM32 UCOS 模板

2023年12月10日發(作者：對學生會的建議)

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uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1?——構建模板（基于STM32控制的第四代圓夢小車）??一、 序?基于第四代圓夢小車?——??FIRA?設計了一個使用STM32的控制板（詳細介紹見項目中的說明：?Introduction?B?‐?Hardware?of?the?Smart??）。?既然硬件從51升級到ARM，軟件也應該相應升級，似乎不能再編寫那種簡單的輪詢調度程序，也應該相應升級到基于操作系統編程。?按STM32的規模和性能，以及小車的控制需求，實時多任務操作系統 uCOSII?應該是不二的選擇，不論從其性能和功能考慮，還是從學習角度考慮，uCOSII?都很適合。?首先，它是開源的，有豐富的資源。

其次，它是可靠的，符合正式的工業控制、產品設計需求。

小車所面對的是那些學習相關專業的大學生，作為他們學習的輔助工具，趣味性只是為了降低學習的枯燥性，不是目的。他們借助這個平臺是為了積攢應付未來工作的能力，所以，學習內容的實用性是必須考慮的。??本人從未基于操作系統編寫嵌入式程序。?開始使用 MCU 的時候，MCU 的內存太小，256字節 RAM?，2K字節 ROM，能勉強把程序裝入就不錯了，連 C 語言都不敢選擇。?而且，那時好像也沒有 RTOS（Real?Time?Operation?System），或者是由于信息交流渠道匱乏，不知道有 RTOS。?既然我提供了這個平臺，也借此機會嘗試一下，和大家一起學習使用 uCOSII。（從單片機應用升級為嵌入式應用?^_^）?第 1 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

二、Step1想要得到什么？（需求分析）?第一步我想得到的是：?1) 如何建立一個基于?uCOSII?的編程環境（目錄、文件組織）；?2) 如何基于IDE（IAR或RvMDK）建立一個工程，能夠產生可以運行的程序；?3) 得到一個“干凈的”、可以作為模板的uCOSII程序組（Project）；?4) 通過上述過程初步理解在?uCOSII?下如何編寫應用程序。??之所以要把“如何建立……”作為需求，而不是找一個現成的模板或示例程序修改、添加自己的功能，是因為看了許多這種程序，感覺“極不可靠”！因為程序中有太多的東西不知道為何而存在？不知道為何而被注釋掉？似乎這些東西都像“定時炸彈”，早晚會給你的程序帶來麻煩。?同時，也給自己理解程序的構成和運行機制帶來困擾，既然是學習，就應該知其然、知其所以然，否則也談不上“掌握”，更不敢在日后的工作中應用（如果是打工，也許還敢試試，如果是用自己的錢做產品、項目，我想你一定不敢用），如此則和做此事的初衷相悖了。??三、如何入手？?uCOS的書有很多，也看了許多，但多數都是解析操作系統本身的，或者是如何移植，鮮有書籍、資料教你如何在操作系統下編程。?實際上，對于學習者，特別是初學者，更多需要的是學會如何在一個移植好的系統下編程，等到能基于操作系統實現自己的功能后，才會有心思去探究操作系統是如何在自己的

MCU 上運行的（移植），以及那些神秘的系統功能是如何實現的（了解系統函數及運行機制）。?而且這種探究也是有選擇性的，首先是自己用到的功能才有興趣去研究，否則如墜云霧。其次，取決于自己所扮演的角色，如果只是學習一下，那只需泛泛了解，有個定性的認識即第 2 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

可。如果要用于產品，那可能要深究，吃透其源代碼，以保證產品的可靠和高效。

所以，要想學習有效，學習的方式首先要“正確”。?在編程理念上，人們已經接受了“面向對象”的思維方式，并且承認了其優越之處。

可在學習方式上似乎并未接受，至少大多數書籍還是基于“過程”的，目前所倡導的“任務驅動”（或者稱之為“項目驅動”）模式似乎未被響應，而所謂“任務驅動”我覺得從實質上講類似于編程中的“面向對象”概念。?“面向對象”核心是將編程的關注點放在要實現的功能上，而非實現功能的方式。?“任務驅動”核心是將學習的關注點放在要完成的任務上，而非完成任務的技能。?“面向對象”的優點源于這種思維方式轉變帶來了邏輯關系的清晰，從而使程序易于理解，帶來的所有好處我認為都源于“易于理解”，如可移植性、可靠性、便于多人合作等。?而“任務驅動”同樣也是得益于“易于理解”?。ㄊ褂肙S編程也是為了“易于理解”）?以往的“教”和“學”都是先傳授知識、技能，后讓學生使用之?？赏纯嘣谟?，這些知識、技能是前人為了解決某些問題而創建的，準確的說應該是解決問題后抽象出來的。學生們卻要先把抽象的“記住”、“理解”，“暫存”后再去找機會用。想象一下，學的過程會有多“枯燥”，更可悲的是，到需要用時，“暫存”的東西找不到了???。?人通常對于明確目標的事情有較強的興趣，而且目標越近，動力越大，越亢奮。對于不知為何而做的事很難投入，通常是三心二意應付了之。目前的大學多數是這個狀況。?所謂“任務驅動”就是先明確目標，再去學習實現目的所需的知識和技能。這樣學生在整個學習過程中都會主動去思考，不斷斟酌正在學的東西可以怎樣幫助自己實現目標。此時，你想讓他走神都難。?所以，本學習過程嘗試采用“任務驅動”方式。首先要確定一個合適的目標作為學習的素材，目標要可行、能提起興趣，否則無異于沒有。?第 3 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

我所選擇的目標是用?STM32去控制一個小車。小車控制涵蓋了數字輸出輸入、模擬輸入、定時器應用、通訊應用等，應該說嵌入式控制常用的知識均已包含。?因為電機驅動，轉動檢測、電機電流檢測、通訊等需求同時存在，而且這些任務都有響應時間要求，uCOS?的實時多任務特征正好可以得到應用。?小車可以擴展，控制板有I2C接口，很多傳感器都帶。但那是在小車控制自如后的事了。?本系列文章就準備在這個基礎上逐漸深入。??四、初步規劃?從03年開始關注?uCOSII?，買了邵老師的書。真正開始看是08年，我的第二代小車推出STM32擴展版之后。暈暈乎乎將書看完，結果還是無從下手，半途而廢。?這次重新啟動是因為第四代小車沒有設計51的控制器，為了演示只能編寫STM32的控制程序。?為避免再次夭折，強迫自己不再為了銷售而編寫不帶系統的示例程序。那樣雖很快捷，借助于ST的庫，初始化好硬件，直接使用原來基于51的C程序即可。?可如果那樣，或許就沒有動力和壓力去“折磨”自己，嘗試在uCOSII下編程了。不過這次我決定更章易轍，從應用入手，不再糾纏于系統本身。??1）買一個移植成功的學習板作為參考（我買的是“奮斗STM32”），期望少走些彎路。?2）買了本《基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術》，期待得到系統的指引。?3）從uCOS的官網（/page/home）下載最新的uCOS源程序及資料。?4）以驅動小車控制板上唯一的LED為任務，自己構建編程環境和工程，作為日后深入的基礎。?因為51我是用Keil的，所以ARM決定還是用Keil，減小難度。?第 4 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

五、實施?5.1 準備工作

uCOS官網上有移植好的?Cortex‐M3?上的?uCOSII，程序包為：?Micrium‐ST‐uCOS‐II‐LCD‐?下載安裝后，里面有uCOS源程序、ST庫、基于ST學習板的示例程序、相應的說明。?看了若干資料，覺得最有價值莫過于從官網上下載的手冊：?AN-1018?：μC/OS-II?and?the?ARM?Cortex‐M3?Processors?特別是其中的這張圖：???第 5 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

對照ReadMe?文件中的目錄說明：???第 6 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

結合“程序關系圖”、“目錄文件說明”，瀏覽一下相關內容，那張“程序關系圖”最好能映射在腦中，對理解、構建程序極為有益！?通過瀏覽，在腦中形成一個uCOS實現的框架，此時不必了解細節。?再把示例程序在IDE中打開編譯、運行看看，因為我沒有ST的學習板，就以奮斗STM32板的示例為參考。?這一步主要是為了驗證IDE環境是否正確，因為示例的工程是正確的，如果此時有問題應出在IDE環境安裝環節。如果開始就建立自己的工程，出現障礙則無法判斷。??這次看這些文件似乎有些感覺，不知道是不是那些似懂非懂的閱讀從量變到質變了。?不過回想學計算機的經歷，似乎每次學習新的東西都要有個“從混沌的積累到頓悟”的過程，或許這就是計算機知識的特征：每個概念都建立在一大堆概念之上，而且都是多因素網狀關聯，需要同時“擁有”才能得到“答案”。??5.2 動手實施

示例程序還是比較“復雜”，因為它需要演示板上所有的功能。以STM3210B‐EVAL為例，它上面有LCD、按鈕、JoyStick、M25?Flash等外設，還支持了串口調試工具uC/Probe。?第一步我要的是一個“干凈”的模板，只需要驅動一個LED，即一個IO口，因為這幾乎是所有系統都會設計的。?通過這個模板，我希望理解uCOS下的程序是如何工作的。?至于調試用的?uC/Probe，相對于這一步所具備的水平，屬于“奢侈品”，暫時還無法享用，所以暫不考慮，等日后程序功能多了，編程自如了，再“錦上添花”。??第一步：構建程序目錄

首先根據自己的需要構建一個目錄。?第 7 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

因為我希望分步實現目標，將每一步都保留，而不是做完后只剩最后一步的內容，這樣別人參考就比較容易，不會像uCOS附帶的示例程序，內容太多，難以消化。?但不希望每一步的目錄中都包含ST和uCOS的庫文件，這樣一是文件太大，二是如果庫文件要升級會很麻煩。?為此，構建了以下目錄結構：??COMMON目錄是基本不用修改的，其中內容來自：??..MicriumSoftwareCPUSTSTM32??????STM32LIB??..MicriumSoftwareuC‐CPU????????????uC‐CPU?..MicriumSoftwareuC‐LIB?????????????uC‐LIB?..

MicriumSoftwareuCOS‐II????????????uCOS‐II??..

MicriumSoftwareuC‐Probe???????????uC‐Probe?雖然這一步不用?uC/Probe，但日后考慮會使用，故保留。?感到遺憾的是Micrium程序包中所附的ST庫是2.0版的，本來打算自己更換為3.0版，但發現有些困難，初學乍練，不敢造次，就放棄了，留待日后升級吧。?學習目錄目前只有?StepByStep‐1?一個，分為三個子目錄：?asp?——?用于存放應用程序，就是實現功能的程序。工程文件在這個目錄中。?bsp?——?用于存放相應的硬件驅動程序，用到什么添加什么。?out?——?存放所有編譯、鏈接產生的文件，交流時這個目錄內容可以不拷貝。?這樣每做一步都建立一個目錄，逐步豐富內容。?第 8 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

asp、bsp目錄中的文件均以上述“uCOS程序關系圖”中所描述的文件為基礎。??第二步：構建自己的bsp文件?我參考的是這個目錄：?..

MicriumSoftwareEvalBoardsSTSTM3210B‐EVALRVMDKBSP?它包含以下文件：??我不用LCD，所以去掉，bsp文件如下：??注意：除刪除了三個與LCD顯示相關的文件外，bsp.h和bsp.c?也作了相應修改，主要是刪除了不用的外設初始化和驅動程序，只保留了必須的驅動（詳見程序清單）。?bsp_int.c?和中斷初始化相關，因第一步不涉及中斷，故暫不處理。?Bsp_periph.c?初始化各外設的時鐘，因未吃透，也暫不處理。?Init.s?是啟動代碼，程序復位后的入口，因第一步無特殊要求，也沒有能力變出花樣，不去碰它。?兩個SCAT?文件是程序裝載時的定位文件，STM32在這上面有不少花樣，可以將指定程序加載到指定位置等，未來如果要實現小車遠程程序下載或許會用到，此時還一知半解。?第 9 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

按我的理解：?STM32_?文件是為了編譯生成FLASH中運行的程序用的，STM32_應該是編譯生成RAM中運行的程序用的。剛從51上來，對在RAM中運行還不熟悉，故建立工程時用的是FLASH方式。?這個目錄會隨著外設的不斷起用而豐富起來。??第三步：構建自己的應用程序

因為原來STM3210B‐Eval板就有LED顯示功能，而且是4個，我所做的就是刪除所有不用的功能，將4個LED驅動改為一個即可。（注意：是刪除，不是注釋掉）?刪除后的app相當“單純”：?????第 10 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

APP目錄下有如下文件：??其中app_cfg.h?也很“單純”：??只有一個任務，確定其優先級和所用棧尺寸即可。?includes.h?里面有許多是系統需要的頭文件，還沒有吃透，暫不處理。?os_cfg.h?是uCOSII的配置文件，日后需要裁減系統時再琢磨，第一步不去惹它，以免系統罷工。?stm32f10x_conf.h?是STM32的配置文件，不啟用的外設就注釋掉，此處不用刪除，因為恢復時太麻煩。?第一步應用部分只使用了一個IO口：PA3，所以從應用角度只需要打開GPIO、GPIOA，但AFIO似乎系統用了，去掉后系統編譯出錯，只能保留。?按我的理解，一些基礎的功能系統應該需要，如中斷、時鐘、定時器等，沒想到可以將SysTick及所有TIM注釋掉，不清楚系統是如何產生定時任務切換的，如果要深入系統，這就是一個值得探討的點。（具體保留了那些外設詳見程序）?vectors.s中定義了STM32所有外設的中斷向量，似乎沒有必要去碰它。?至此，第一步所需要的源文件已經完成，下面要拿出來“遛遛”了。??第 11 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

第四步：在MDK中構建工程?我所使用的是MDK3.5版本。構建過程如下:?1）在Project菜單中選擇“New?uVision?Project”，創建一個新工程，放在app目錄下；我所創建的工程文件名是：????YM4‐STM32‐2??2）在Project菜單中選擇“manage”，為工程設置工程目標名、文件組，并在每個文件組中添加對應的文件：???因為編譯產生的文件是在Flash上運行的，所以目標名用“Flash”，我覺得這個純粹是為了便于記憶、理解。?文件組是參考示例程序及自己的理解確定的。?確定組后，添加相應的文件，包括C、S、asm（匯編）程序，asp、bsp組的文件來自對應的目錄。其它都是系統文件，具體如下：?STM32‐LIB文件添加自：（注：我是根據STM32f10x‐conf.h確定要添加的文件的）?uCOS‐StepbyStepCOMMONSTM32LIBsrc?第 12 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

uC‐CPU?文件添加自：?uCOS‐StepbyStepCOMMONuC‐CPUARM‐Cortex‐M3RealView?uC‐LIB文件添加自：（注：因第一步未用，故沒有添加文件）?uCOS‐StepbyStepCOMMONuC‐LIB?uCOS‐StepbyStepCOMMONuC‐LIBPortsARM‐Cortex‐M3RealView?uCOSII?文件添加自：?uCOS‐StepbyStepCOMMONuCOS‐IISource?uCOS‐Port文件添加自：?uCOS‐StepbyStepCOMMONuCOS‐IIPortsARM‐Cortex‐M3GenericRealView??完成上述步驟后，在IDE的Project?Workspace?窗口顯示如下：???3）鼠標在工程目標名“Flash”上，點右鍵菜單，選擇“Option?for?Taget?Flash”?，開始配置工程選項。?打開后的主界面如下：?第 13 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

?依次選擇：?Device：?ST的STM32F103RB?Target：默認值?Output：??Listing：同Output一樣選擇輸出文件存放目錄，也放在out目錄下。?Ur：默認（還不明白有什么用處???）??C/C++：這個選項中有很多暫時沒有吃透，第一步必須做的是：首先選擇編譯的的告警提示，建議用?“All?Warning”，因為初學，多注意提示能幫助減少程序中的隱患。?其次就是配置include?目錄，將COMMON和StepbyStep目錄下所有存在?*.h的目錄全部添加進去。??如下所示：?第 14 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

??Asm：默認?Linker：??Debug：按如下內容配置???第 15 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

Utilities：這一步主要配置STM32的FLASH編程算法，如下：???至此，工程全部建立完畢，可以編譯了。???第五步：編譯、下載、調試?這部分操作沒有什么特別之處，用過Keil51就會，即使不熟悉，參考MDK的手冊即可。?JTAG工具用的是市場上最常見的JLink?V8。小車控制板較小，選用的是IDC10接口，需要一個轉接插頭。?編譯時建議先單獨編譯自己寫的程序，此處是：asp.c??bsp.c?。這樣便于出錯，因為編譯產生的提示信息相對少些。?排除錯誤后再進行“Build?Taget”?。???第 16 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

小車調試方式如下：???很幸運，uCOSII下的第一個程序如愿運行了????六、總結?這是我的第一個uCOSII應用程序，雖然簡單，但它幫助我初步理解了如何在uCOS下編寫程序，uCOS程序大概（也就達到了這個水平）是如何運行的。?有了這個基礎，就可以逐步深入，以小車的控制為需求，依次啟用STM32上的外設，編寫相應的BSP，并根據需要編寫相應的應用程序。?通過這一步，自我感覺再看uCOS源程序時容易理解多了，以前看時是被動的接受書中的概念，而這次是先有疑問，再去找答案。?第 17 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

比如說，如果對照圓夢小車二代的Step‐1程序，用延時方式控制LED閃爍，那就無法再處理其它任務，MCU全給延時循環占用了。?為解此惑，我便看了uCOS的延時源程序，理解它是如何實現延時的。我主要看了兩個與定時相關的函數：?OSTimeDly（INT16U?ticks）?OSTimeDlyHMSM（INT8U?hours,?INT8U?minutes,?INT8U?conds,?INT16U?milli）???因為有明確的需求，所以容易理解多了，同時還發現了一個小“秘密”：用后一個函數不能提高延時的精度，雖然它提供了ms?參數，看似可以精確到ms，可如果你真想用它達到ms?分辨率的延時一定會失望的，因為它是靠調用前一個函數實現的。?由此得出結論：?1）用系統延時函數最高分辨率就是系統的?ticks，通常tick為10ms，太快了系統開銷太大，所以用此方法實現?1ms?分辨率的延時不可行，雖說Step1?的tick?是1ms，但后面會改為10ms。?2）后一個函數最大的用途應該是長延時，用前一個函數最長只能?65535?個ticks。?3）如果延時小于?65535?ticks，最好用前一個，可降低開銷。?4）因為這個延時是利用任務控制塊中的延時計數實現的，所以精度不高，如果要準確延時，比如形成周期，最好還是直接用定時器中斷配合消息機制實現。?為理解OSTimeDly，順帶看了時鐘節拍函數：OSTimeTick（void），初步了解了任務切換的過程。?此文屬于隨筆，注重敘述過程和感悟，不想深入探討系統實現，等小車的控制初具雛形后再考慮是否需要對應寫一系列文章，專門探討每一步所涉及的系統函數是如何工作的。??第 18 頁 共 19 頁 uCOS 學習隨筆 StepbyStep‐1? Project:?fira‐mirosot‐robot

讀者如果有興趣可以自己先嘗試一下，我覺得Step1應該了解的是：?1）

2）

uCOSII的系統定時是如何產生的？使用的STM32什么硬件資源？?看看用到的幾個OS函數源代碼，它們的功能是什么？如何實現？?如：?BSP_IntDisAll()?OSInit()?OSTaskCreate()?OSTaskCreateExt()?OSTaskNameSet()?OSStart()?此外還有BSP中的一些函數?3）

?Step‐1?到此結束，準備著手根據需求構建任務了。??但愿本文能對那些和我一樣曾經蠢蠢欲動多次又無疾而終的uCOS學習者有幫助，大家共同交流、進步！?——————————??2010年10月20日星期三?參考資料：?1、《嵌入式實時操作系統?uC/OS‐II（第二版）》邵貝貝?等譯?ISBN7‐81077‐290‐2?2、《基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術》周航慈?吳光文著?ISBN978‐7‐81077‐941‐8?3、《Cortex‐M3?+?uCOS‐II嵌入式系統開發入門與應用》陳瑤等著?ISBN978‐7‐115‐23105‐5?4、《uC/OS‐II?標準教程》楊宗德?張兵?著?ISBN978‐7‐115‐20442‐4?5、uC/OS‐II?官方網站資料?6、奮斗STM32?MINI?學習板資料?消化任務控制塊?TCB?中各個變量的作用，對理解OS函數很有幫助。?第 19 頁 共 19 頁

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