基于stm32的嵌入式操作系統(tǒng)程序設計及實現(xiàn)本科

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設計）</p><p>　論文題目：基于STM32的嵌入式操作系統(tǒng)程序設計及實現(xiàn) </p><p>　姓 名：郝宇</p><p>　學 號：093001020144</p><p>　班 級：01班</p><p>　年 級：2009級</p>

2、<p>　專 業(yè)：電子信息工程</p><p>　學 院：信息工程學院</p><p>　指導教師：丁光哲 講師</p><p>　完成時間：2013年5月20日</p><p><b>　　作者聲明</b></p><p>　　本畢業(yè)論文（設計）是在導師的指導下由本人獨

3、立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學術規(guī)范和其他侵權行為。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢業(yè)論文（設計）引起的法律結果完全由本人承擔。</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）成果歸武昌工學院所有。</p><p><b>　　特此聲明</b></p><p>　　基于STM32的嵌入式操

4、作系統(tǒng)</p><p><b>　　程序設計及實現(xiàn)</b></p><p><b>　　郝宇</b></p><p>　　The Design and Implementation of embedded operating system program based on STM32</p><p>

5、;<b>　　Hao, Yu</b></p><p>　　2013年 5月 20日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科學技術不斷的進步，工業(yè)生產越來越先進復雜，操作系統(tǒng)µC/OS-II是高效、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能的系統(tǒng)，廣泛應用安防，消費電子中。而基于Cortex-M3架構

6、下的STM32是一款性價比優(yōu)越新型微處理器，將µC/OS-II移植到STM32上能夠發(fā)揮其高效的性能，從而投入社會生產，制造出很多有用又實惠的電子產品，為我們的生活帶來便利。</p><p>　　本文主要的研究內容是µC/OS-II操作系統(tǒng)理論分析、移植方法、應用程序設計及調試仿真實現(xiàn)。首先，對µC/OS-II的理論分析，研究其實際應用及系統(tǒng)結構；其次，分析STM32硬件平臺及

7、81;C/OS-II的移植需求；最后，在µC/OS-II上開發(fā)LCD，LED，按鍵KEY等應用程序，并對多任務系統(tǒng)調試分析。主要研究結論如下：</p><p>　?。?）µC/OS-II操作系統(tǒng)主要分為任務管理、內存管理和時間管理三大部分，其間通信是通過消息隊列和消郵箱。</p><p>　?。?）µC/OS-II移植主要在OS_CPU.H，OS_CPU_C.

8、C，OS_CPU_A.ASM三個文件中，涉及到數(shù)據類型、堆棧、中斷定義和任務切換等。</p><p>　　（3）應用程序設計優(yōu)先級分配要合理，硬件平臺初始化模塊化處理。</p><p>　　關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；µC/OS-II；移植</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wi

9、th the progress of science and technology constantly, advanced industrial production to more complex, the operating system µC/OS-II is efficient, stable, reliable, energy saving system, widely used in the security,

10、and consumer electronics. And based on the STM32 architecture Cortex-M3 framework is a superior cost-effective new microprocessor, µC/OS-II transplantation to STM32 can play its efficient performance, thus in social

11、 production and create a lot of useful and affordable electronic pro</p><p>　　This article main research content is µC/OS-II operating system theory analysis, method of transplantation, application desi

12、gn and debugging of the simulation implementation. First of all, the theoretical analysis of µC/OS-II, research the actual application and system structure; Second, analysis of STM32 hardware platform and the demand

13、 µC/OS-II transplantation. Finally, on the µC/OS-II development of LCD, LED, button KEY applications, and analysis of multitasking system debugging. Main researc</p><p>　　(1) µC/OS-II operatin

14、g system consists of three major task management, memory management and time management, in which communication is through the message queue and email. </p><p>　　(2) µC/OS-II transplantation mainly in O

15、S_CPU_C.C, OS_CPU_A.ASM file, OS_CPU.H, three involves the data type definition and task switching etc, stack, interrupt. </p><p>　　(3)The application design to the allocation of priorities, initialize the m

16、odular processing hardware platform. </p><p>　　Key words: embedded system; µC/OS-II; transplant</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 概 述1</b></p&

17、gt;<p>　　1.1 研究的目的及意義1</p><p>　　1.2 國內外研究狀況綜述1</p><p>　　1.3 研究的主要內容2</p><p>　　2 µC/OS-II的理論介紹3</p><p>　　2.1 µC/OS-II各模塊的基本功能3</p><p>

18、;　　2.2 STM32上移植方法7</p><p>　　3 LCD屏程序設計及調試12</p><p>　　3.1 工具概述12</p><p>　　3.2 硬件結構13</p><p>　　3.3 C程序設計15</p><p><b>　　3.4 調試16</b></p&

19、gt;<p><b>　　結 語18</b></p><p><b>　　主要參考文獻19</b></p><p><b>　　附 錄20</b></p><p>　　附錄1 主程序代碼20</p><p><b>　　1 概 述<

20、/b></p><p>　　1.1 研究的目的及意義</p><p>　　µC/OS-II是由美國工程師Jean Labrosse編寫的嵌入式多任務的實時操作系統(tǒng)，包括實時內核、任務管理、時鐘管理、任務間通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內存管理。除了有上面的優(yōu)點外，µC/OS-II它具有別的操作系統(tǒng)沒有的優(yōu)點，具體如下：</p><p>

21、;　?。?）源代碼開放：µC/OS-II的源代碼可以免費獲取，且標有清晰的注釋，可讀性好。</p><p>　?。?）可移植性好：µC/OS-II的源代碼90％以上是用C語言編寫的，可以很容易地把它移植到各類8位、16位和32位處理器上。</p><p>　?。?）穩(wěn)定性高：µC/OS-II已得到FAA的標準認證，且目前已有上百個商業(yè)應用實例，其穩(wěn)定性和可靠性

22、是經過實踐驗證的。</p><p>　　因此，µC/OS-II廣泛的應用于控制系統(tǒng)中，如在衍射儀高壓控制系統(tǒng)中使用µC/OS-II操作系統(tǒng)是一種很好的選擇?？刂葡到y(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，它需要多個系統(tǒng)協(xié)同工作。傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)我們往往使用前后臺的方式，但是這種開發(fā)方式在任務較簡單的開發(fā)中比較適用，對于任務比較復雜的系統(tǒng)往往力不從心。對于任務較多而且復雜的情況我們就要引入實時操作系統(tǒng)RTOS。<

23、/p><p>　　RTOS體現(xiàn)了一種新的應用程序設計思想和開放的框架，用戶在編寫程序時，可以分別編寫各個任務，不必同時將所有任務運行的各種可能情況記在心中，大大減小了程序編寫的工作量，而且減小了出錯的可能，保證最終程序具有高可靠性，從而降低程序的復雜度和開發(fā)周期。由于控制系統(tǒng)功能較復雜，諸多的功能可以劃分成許多不同的模塊，模塊之間既彼此聯(lián)系又相對獨立，可以當作不同的任務來進行處理。所以，使用實時操作系統(tǒng)，將不同的功能

24、劃分成不同的任務進行處理使得設計大大簡化。</p><p>　　1.2 國內外研究狀況綜述</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是繼IT網絡技術之后，又一個新的技術發(fā)展方向。中國單片機二十年論壇總結出，我國嵌入式起步較早，但總體來說發(fā)展緩慢，和國外的開發(fā)應用具有很大的差距，造成這一局面的原因是多方面的。在國內嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面，多是一些低層次的應用，停留在以前老的技術基礎之上。例如，經典51系列

25、單片機在上世紀我國的工業(yè)信息化改造過程中發(fā)揮了重要的作用，滲透到生產生活的各個方面。與此同時在大學電類相關的工科單片機教學中，依然是經典的51，微機原理依然是8086/88，這顯然體現(xiàn)不了最新的技術特征，造成了大學教育與實際社會需要的脫節(jié)。國外的大部分高校和國內的極少數(shù)大學相繼開設嵌入式微處理器設計等相關的前沿性的課程，可見基于STM32技術將是未來微控制開發(fā)的主流方向。由于µC/OS-II系統(tǒng)具有體積小、性能強、功耗低、可靠

26、性高以及面向行業(yè)應用的突出特征，目前已經被廣泛的應用于軍事國防、消費電子、網絡通信、工業(yè)控制等各個領域。</p><p>　　今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會(Embedded System Conference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統(tǒng)的全數(shù)字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。美國汽車大王福特公司的高級經理也曾宣稱，“福特

27、出售的‘計算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業(yè)的規(guī)模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個技術新熱點。在國內，“維納斯計劃”和“女媧計劃”一度鬧得沸沸揚揚，機頂盒、信息加電這兩年更成了IT熱點，而實際上這些都是嵌入式系統(tǒng)在特定環(huán)境下的一個特定應用。據調查，目前國際上已有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，而各種各樣的開發(fā)工具、應用于嵌入式開發(fā)的儀器設備更是

28、不可勝數(shù)。在國內，雖然嵌入式應用、開發(fā)很廣，但該領域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數(shù)人員在從事這方面工作。由此可見，嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展的空間真是無比廣大。</p><p>　　1.3 研究的主要內容</p><p>　　本文是在基于32位的ARM微處理器STM32和嵌入式實時操作系統(tǒng)µC/OS-II上進行嵌入式操作系統(tǒng)的移植和功能實現(xiàn)。通過將嵌入式實時操作系統(tǒng)µC

29、/OS-II移植到STM32微處理器上，并對其進行軟件功能的擴展和硬件擴展，實現(xiàn)了一個基本完整的嵌入式實時操作系統(tǒng)。建立了基于嵌入式ARM處理器的應用軟件體系；將µC/OS-II移植到STM32，建立了嵌入式操作系統(tǒng)研究及µC/OS-II下的開發(fā)環(huán)境體系。包括µC/OS-II系統(tǒng)配置、µC/OS-II下的移植、啟動、測試和功能實現(xiàn)等。完成了基于STM32的µC/OS-II的應用設計。&l

30、t;/p><p>　　本文主要分為4章，章節(jié)安排如下： </p><p>　?。?）緒論。主要介紹了開題的背景和研究意義，以及µC/OS-II的國內外研究現(xiàn)狀。</p><p>　?。?）µC/OS-II的理論

31、介紹。主要介紹µC/OS-II各模塊的基本功能和在STM32上移植方法。</p><p>　?。?）硬件平臺介紹及LCD屏程序設計及調試。多任務的建立并實現(xiàn)基本功能。</p><p>　?。?）結語。主要介紹本論文中的優(yōu)點和不足之處。</p><p>　　2 µC/OS-II的理論介紹</p><p>　　2.1 &#

32、181;C/OS-II各模塊的基本功能</p><p>　　2.1.1 µC/OS-II內核結構</p><p>　?。?）µC/OS-II是以源代碼形式提供的實時操作系統(tǒng)內核，其包含的文件結構如圖2.1所示：</p><p>　　基于µC/OS-II操作系統(tǒng)進行應用時，設計時的主要任務是將系統(tǒng)合理劃分成多個任務，并由RTOS進行調度，

33、任務之間使用µC/OS-II提供的系統(tǒng)服務進行通信，以配合實現(xiàn)應用系統(tǒng)的功能。與前后臺系統(tǒng)一樣，基于µC/OS-II的多任務系統(tǒng)也有一個main主函數(shù)，main函數(shù)由編譯器所帶的C啟動程序調用。在main主函數(shù)中主要實現(xiàn)µC/OS-II的初始化OSInit()、任務創(chuàng)建、一些任務通信方法的創(chuàng)建、µC/OS-II的多任務啟動OSStart()等常規(guī)操作。另外，還有一些應用程序相關的初始化操作，例如：

34、硬件初始化、數(shù)據結構初始化等。 </p><p>　?。?）OSInit()初始化µC/OS-II所有的變量和數(shù)據結構，并建立空閑任務OS_TaskIdle()，這個任務總是處于就緒態(tài)。</p><p>　　2.1.2 µC/OS-II內核體系結構圖</p><p>　　µC/OS-II內核主要對用戶任務進行調度和管理，并為任務間共

35、享資源提供服務。包含的模塊有任務管理、任務調度、任務間通信、時間管理、內核初始化等。µC/OS-II內核體系結構如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 內核結構圖</p><p>　　2.1.3 任務狀態(tài)及其轉換關系</p><p>　　在多任務系統(tǒng)中，任務是設計者實現(xiàn)應用系統(tǒng)的基本形式，也是µC/OS-II系統(tǒng)進行調度的基本單元。任務可

36、以是一個無限的循環(huán)，也可以在一次執(zhí)行后被操作系統(tǒng)刪除。任務函數(shù)和任何C函數(shù)一樣，具有一個返回類型和一個參數(shù)，但是它決不返回。</p><p>　　任務控制塊（TCB）是一個數(shù)據結構OS_TCB，一旦一個任務創(chuàng)建，就有一個和它關聯(lián)的TCB被賦值。當任務的CPU使用權被剝奪時，它用來保存該任務的狀態(tài)。這樣，當任務重新獲得CPU使用權時，可以從TCB中獲取任務切換前的信息，準確的繼續(xù)運行。</p><

37、;p>　　2.1.4 任務調度器 </p><p>　　µC/OS-II總是運行進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。任務調度器的功能是：在就緒表中查找最高優(yōu)先級的任務，然后進行必要的任務切換，運行該任務。µC/OS-II的任務調度有兩種情況：任務級的任務調度由OS_Sched()完成；中斷級的任務調度由OSIntExt()完成。這兩種任務調度情況調用的任務切換函數(shù)不同：任務級的任務調度OS_S

38、ched()調用了任務切換函數(shù) OS_TASK_SW()，而中斷級的調度OSIntExt()調用了任務切換函數(shù)OSIntCtxSw()。</p><p>　　任務級的任務調度是由于有更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，當前的任務的CPU使用權被剝奪，發(fā)生了任務到任務的切換；中斷級的調度是指當前運行的任務被中斷打斷，由于ISR運行過程中有更高優(yōu)先級的任務被激活進入就緒態(tài)。而中斷返回前ISR調用OSIntExt()函數(shù)，該函

39、數(shù)查找就緒表發(fā)現(xiàn)有必要進行任務切換，從而被中斷的任務進入等待狀態(tài)，運行被激活的高優(yōu)先級的任務。</p><p><b>　　（1）任務切換</b></p><p>　　任務切換有兩種：OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw()。任務級的任務切換OS_TASK_SW()是宏調用，通過軟中斷指令來實現(xiàn)CPU寄存器內容切換。例如：#define OS_TASK_SW

40、() asm(“int #32”)。</p><p>　　任務級的任務切換過程：①保存當前運行的任務的CPU寄存器值到該任務的堆棧。如：堆棧指針，程序計數(shù)器，狀態(tài)寄存器等。②將要運行的高優(yōu)先級的任務的寄存器值從堆?；謴偷紺PU寄存器。③進行TCB的切換，并運行任務。</p><p>　　中斷級的任務切換OSIntCtxSw()是在OSIntExt()中調用的，我們一般在用戶ISR中調用O

41、SIntExt()以實現(xiàn)中斷返回前的任務調度。由于ISR已經將CPU寄存器的值存入被中斷的任務的堆棧中，所以OSIntCtxSw()的實現(xiàn)和OS_TASK_SW()不一樣，具體參見移植文檔。</p><p><b>　　（2）就緒表</b></p><p>　　每個就緒的任務都放在就緒表中，就緒表有兩個變量：OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。OSRdyGrp中，

42、將任務按優(yōu)先級分組，八個為一組。OSRdyGrp的每一位代表每組任務是否有進入就緒態(tài)的任務。</p><p>　　在就緒表中查找優(yōu)先級最高的任務不需要掃描整個OSRdyTbl[]，只要查優(yōu)先級判定表OSUnMapTbl[]。OSUnMapTbl[]是常量表，所以查找優(yōu)先級最高的任務的執(zhí)行時間為常量，和就緒表的任務數(shù)無關。</p><p>　　2.1.5 中斷服務</p>&l

43、t;p>　　在用戶的ISR中可以調用OSIntEnter()和OSIntExit()通知µC/OS-II發(fā)生了中斷，這樣可以實現(xiàn)ISR返回前的任務調度。</p><p>　　2.1.6 時鐘節(jié)拍</p><p>　　µC/OS-II要求用戶提供一個周期性的時鐘源，來實現(xiàn)時間的延遲和超時功能，時鐘節(jié)拍應該每秒發(fā)生10~100次/秒。時鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負荷就越

44、重。</p><p>　　應該在多任務系統(tǒng)啟動后，也就是調用OSStart()后再開啟時鐘節(jié)拍器。系統(tǒng)設計者可以在第1個開始運行的任務中調用時鐘節(jié)拍啟動函數(shù)。假設用定時器TA0作為時鐘中斷源，那么，在移植過程中實現(xiàn)了函數(shù)init_timer_ta0()，此函數(shù)用來初始化定時器TA0，并將其打開。µC/OS-II中的時鐘節(jié)拍服務是在ISR中調用OSTimeTick()實現(xiàn)的。OSTimeTick()跟蹤所

45、有任務的定時器以及超時時限。</p><p>　　2.1.7 µC/OS-II的初始化和啟動</p><p>　　調用µC/OS-II的服務之前要先調用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()。OSInit()初始化µC/OS-II所有的變量和數(shù)據結構，并建立空閑任務。µC/OS-II初始化任務控制塊、事件控制塊、消息隊列緩沖、標志控制塊等數(shù)據結構的空緩沖區(qū)。

46、</p><p>　　多任務的啟動是通過調用OSStart()實現(xiàn)的。啟動之前要至少創(chuàng)建一個任務。OSStart()調用就緒任務啟動函數(shù)OSStartHighRdy()，其功能是將任務棧的值恢復到CPU寄存器，并執(zhí)行中斷返回指令，強制執(zhí)行該任務代碼。</p><p>　　2.1.8 內存管理</p><p>　　在ANSI C中是使用malloc和free兩個函數(shù)來

47、動態(tài)分配和釋放內存。但在嵌入式實時系統(tǒng)中，多次這樣的操作會導致內存碎片，且由于內存管理算法的原因，malloc和free的執(zhí)行時間也是不確定。µC/OS-II中把連續(xù)的大塊內存按分區(qū)管理。每個分區(qū)中包含整數(shù)個大小相同的內存塊，但不同分區(qū)之間的內存塊大小可以不同。用戶需要動態(tài)分配內存時，系統(tǒng)選擇一個適當?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內存。釋放內存時將該塊放回它以前所屬的分區(qū)，這樣能有效解決碎片問題，同時執(zhí)行時間也是固定的。</p>

48、;<p>　　2.1.9 任務管理</p><p>　　µC/OS-II中最多可以支持64個任務，分別對應優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級。63為最低級，系統(tǒng)保留了4個最高優(yōu)先級的任務和4個最低優(yōu)先級的任務，所有用戶可以使用的任務數(shù)有56個。µC/OS-II提供了任務管理的各種函數(shù)調用，包括創(chuàng)建任務，刪除任務，改變任務的優(yōu)先級，任務掛起和恢復等。系統(tǒng)初始化時會自動產生兩個任務：

49、一個是空閑任務，它的優(yōu)先級最低，該任務僅給一個整型變量做累加運算；另一個是統(tǒng)計任務，它的優(yōu)先級為次低，該任務負責統(tǒng)計當前CPU的利用率。 </p><p>　　2.1.10 µC/OS-II任務間通信方式 </p><p><b>　?。?）信號量</b></p><p>　　信號量由兩部分組成：一部分是16位的無符號整型信號量的計數(shù)

50、值；另一部分是由等待該信號量的任務組成的等待任務表。信號量用于對共享資源的訪問，用鑰匙符號，符號旁數(shù)字代表可用資源數(shù)，對于二值信號量該值為1。信號量還可用于表示某事件的發(fā)生，用旗幟符號表示，符號旁數(shù)字代表事件已經發(fā)生的次數(shù)?；コ庑托盘柫坑糜谔幚砉蚕碣Y源。</p><p><b>　?。?）消息郵箱</b></p><p>　　一種通信機制，可以使一個任務或者中斷服務子

51、程序向另一個任務發(fā)送一個指針型的變量，通常該指針指向一個包含了消息的特定數(shù)據結構。</p><p><b>　?。?）消息隊列</b></p><p>　　另一種通信機制，允許一個任務或者中斷服務子程序向另一個任務發(fā)送以指針方式定義的變量或其它任務，因具體應用不同，每個指針指向的包含了消息的數(shù)據結構的變量類型也有所不同。</p><p>　　2

52、.2 STM32上移植方法</p><p>　　2.2.1 平臺需求</p><p>　　µC/OS-II的正常運行需要處理器平臺滿足以下要求：</p><p>　?。?）處理器的C編譯器能產生可重入代碼。</p><p>　?。?）用C語言就可以打開和關閉中斷。</p><p>　?。?）處理器支持中斷，

53、并且能產生定時中斷(通常在10至100Hz之間)。 </p><p>　　（4）處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧。</p><p>　?。?）處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。</p><p>　　2.2.2 移植方法</p><p>　?。?）內核頭文件（OS_CPU.H） <

54、/p><p>　　在OS_CP U.H 中，主要聲明了一些與微處理器相關的常量、宏和typedef。 </p><p>　　定義與處理器無關的數(shù)據類型 </p><p>　　typede f unsigned char BOOLEAN; </p><p>　　typedef unsigned char INT8U;

55、</p><p>　　typedef signed char NT8S; </p><p>　　typedef unsigned short INT16U; </p><p>　　typedef signed short INT16S; </p><p>　　typedef uns

56、igned int INT32U; </p><p>　　typedef signed int NT32S; </p><p>　　typedef float FP32; </p><p>　　typedef double FP64; </p>&

57、lt;p>　　typedef unsigned int OS_STK; </p><p>　　typedef unsigned int OS_CPU_SR; </p><p>　　在STM32處理器及keil MDK 或者IAR 編譯環(huán)境中可以通過查手冊得知short類型是16位而int類型是32位，這對于Cortex-M3內核是一致的。故這

58、部分代碼無需修改。盡管µC/OS-II定義了float 類型和double 類型，但為了方便移植它們在µC/OS-II源代碼中并未使用。為了方便使用堆棧，µC/OS-II定義了一個堆棧數(shù)據類型。在Cortex-M3 中寄存器為32位，故定義堆棧的長度也為32位。Cortex-M3 狀態(tài)寄存器為32位，定義OS_CPU_SR主要是為了在進出臨界代碼段保存狀態(tài)寄存器。 </p><p>

59、<b>　?。?）臨界代碼段 </b></p><p>　　µC/OS-II為了保證某段代碼的完整執(zhí)行，需要臨時的關閉中斷，在這</p><p>　　段代碼執(zhí)行完成之后再打開中斷。這樣的代碼段稱作臨界代碼段。µC/OS-II通過定義兩個宏OS_ENTER_CRITICAL() 和OS_EXIT_CRITICAL() 來分別實現(xiàn)中斷的關閉和打開。一般

60、來說，采用方法3來實現(xiàn)這兩個宏。這兩個宏分別定義如下： </p><p>　　#define OS_CRITICAL_METHOD 3 </p><p>　　#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();} </p><p>　　#define OS_EXIT_CRITIC

61、AL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);} </p><p>　　函數(shù)OS_CPU_SR_Save()和OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr)在OS_CPU_A.ASM中定義。同時得注意，在使用這兩個宏之前，必須定義OS_CPU_SR cpu_sr;否則編譯時將出錯。 </p><p>　?。?）棧的增長方向 </p>

62、<p>　　盡管µC/OS-II支持兩種方向生長的棧，但對于以Cortex-M3為內核的STM32 微處理器來說，它支持向下增長的滿棧，故需要定義棧增長方向宏為1。即定義成如下形式 </p><p>　　#define OS_STK_GROWTH 1 </p><p>　?。?）任務級任務切換 </p><p>　　任務級任務切換

63、調用宏OS_TASK_SW()來實現(xiàn)。因為這個宏也是與處理器相關的，因此這個宏在OS_CPU_A.ASM中描述。 </p><p>　　（5）其他函數(shù)聲明 </p><p>　　在OS_ CPU.H中，還聲明了以下幾個函數(shù)，這幾個函數(shù)均在OS_CPU_A.ASM中實現(xiàn)。 </p><p>　　void OSCtxSw(void); </p><p

64、>　　void OSIntCtxSw(void); </p><p>　　void OSStartHighRdy(void); </p><p>　　void OS_CPU_PendSVHandler(void); </p><p>　?。?）與處理器相關的匯編代碼（OS_CPU_A.ASM）</p><p>　　在OS_CP U_A.

65、ASM中實現(xiàn)的是下面五個與處理器相關的函數(shù)。 </p><p>　　OS_CPU_SR_Save(); </p><p>　　OS_CPU_SR_Restore(); </p><p>　　OSStartHighRdy(); </p><p>　　OSCtxSw(); </p><p>　　OSIntCt

66、xSw(); </p><p>　　2.3.3 函數(shù)實現(xiàn) </p><p>　?。?）關中斷函數(shù)（OS_CPU_SR_Save()） </p><p>　　即先保存當前的狀態(tài)寄存器然后關中斷。故關中斷實現(xiàn)代碼如下 </p><p>　　OS_CPU_SR_Save </p><p>　　MRS R0, P

67、RIMASK； </p><p><b>　　CPSID I </b></p><p>　　BX LR </p><p>　　這也是宏OS_ENTER_CRITICAL() 的最終實現(xiàn)。 </p><p>　?。?）恢復中斷函數(shù)（OS_CPU_SR_Restore()） </p><p&g

68、t;　　這是宏OS_EXIT_CRITICAL()的最終實現(xiàn)。也就是將狀態(tài)寄存器的內容從R0中恢復，然后跳轉回去。此函數(shù)完成的將中斷狀態(tài)恢復到關中斷前的狀態(tài)。其代碼如下： </p><p>　　OS_CPU_SR_Restore </p><p>　　MSR PRIMASK, R0 </p><p>　　BX LR </p&

69、gt;<p>　　Cortex-M3處理器有單獨的指令來打開或者關閉中斷，所以這兩個函數(shù)實現(xiàn)起來很簡單。 </p><p>　?。?）啟動最高優(yōu)先級任務運行（OSStartHighRdy()） </p><p>　　OSStart()調用OSStartHighRdy()來啟動最高優(yōu)先級任務的運行，從而啟動整個系統(tǒng)。OSStartHighRdy()主要完成以下幾項工作： <

70、;/p><p>　　為任務切換設置PendSV的優(yōu)先級；</p><p>　　為第一次任務切換設置棧指針為0；</p><p>　　設置OSRunning = TRUE,以表明系統(tǒng)正在運行；</p><p>　?、?觸發(fā)一次PendSV,打開中斷等待第一次任務的切換。 </p><p>　?。?）任務級和中斷級任務切換 &

71、lt;/p><p>　　因為Cortex-M3進入異常自動保存寄存器R3-R0，R12，LR，PC和xPSR這種的特殊機制，這兩個函數(shù)都是觸發(fā)一次PendSV來實現(xiàn)任務的切換。首先是微處理器自動保存上面提到的寄存器，然后把當前的堆棧指針保存到任務的棧中，將要切換的任務的優(yōu)先級和任務控制塊的指針賦值給運行時的最高優(yōu)先級指針和運行時的任務控制塊指針，最后再把要運行的任務的堆棧指針賦值給微處理器的堆棧指針，這樣就可以退出中

72、斷服務程序了。中斷服務程序退出的時候將自動出棧R3-R0，R12，LR，PC和xPSR。具體的PendSV服務程序的偽代碼如下： </p><p>　　OS_CPU_PendSVHandler ： </p><p>　　// 進入異常，處理器自動保存R3-R0，R12，LR，PC和xPSR </p><p>　　if (PSP != NULL)

73、 //判斷不是開始第一次任務 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　保存R4-R11到任務的堆棧； </p><p>　　OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP; //保存堆棧的指針到任務控制塊 </p><p><b>　　} </b></p&

74、gt;<p>　　OSTaskSwHook(); //實現(xiàn)用戶擴展功能而定義的鉤子 </p><p>　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy; //設置運行任務為最高優(yōu)先級就緒任務 </p><p>　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy; // 設置運行的任務控制塊為最高 </p><p>　　//就緒任控

75、制塊務 </p><p>　　PSP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;//將要切換的任務堆棧指 </p><p>　　// 針賦給微處理器的堆棧指 </p><p>　　// 針從而實現(xiàn)切換 </p><p>　　從堆棧中恢復 R4-R11; 從異常中返回

76、； </p><p>　　// 退出異常，處理器自動恢復R3-R0，R12，LR，PC和xPSR </p><p>　　這樣很容易寫出PendSV中斷服務程序的代碼了。 </p><p>　?。?）與CPU 相關的C 函數(shù)和鉤子函數(shù)（OS_CPU_C.C ） </p><p>　　這個文件中包含10個函數(shù)，

77、具體如下： </p><p>　　OSInitHookBegin (); </p><p>　　OSInitHookEnd (); </p><p>　　OSTaskCreateHook (); </p><p>　　OSTaskDelHook (); </p><p>　　OSTaskIdleHoo

78、k (); </p><p>　　OSTaskStatHook (); </p><p>　　OSTaskStkInit (); </p><p>　　OSTaskSwHook (); </p><p>　　OSTCBInitHook (); </p><p>　　OSTimeTickHook

79、(); </p><p>　　這10個函數(shù)有9個是為了擴展用戶功能而定義的鉤子函數(shù)，這些鉤子函數(shù)可以都為空函數(shù)，也可以加上一些用戶需要的擴展功能。另外一個不是鉤子函數(shù)，它是OSTaskStkInit()。這個函數(shù)的功能是當一個任務被創(chuàng)建時，它完成這個任務堆棧的初始化。這個函數(shù)首先將用戶為任務分配的堆棧頂?shù)刂焚x值給一個棧指針變量，然后再通過這個棧指針向任務的?？臻g寫入初值。這個初值無關緊要，為0就可以了。這個函

80、數(shù)的代碼時下如下： </p><p>　　OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *p_arg, </p><p>　　OS_STK *ptos, INT16U opt) </p><p>　　{ </p><p>　　OS_STK

81、 *stk; </p><p>　　(void)opt; //防止編譯器報錯 </p><p>　　stk = ptos; // 將棧頂?shù)刂焚x值給棧指針變量 </p><p>　　// 以進入異常的順序來給棧賦初值 </p><p>　　*(stk) = (INT32U)

82、0x00000000L; //xPSR </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)task; //Entry Point </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R14 (LR) </p><p>　　*(--stk) = (IN

83、T32U)0x00000000L; //R12 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //R3 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R2 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x000

84、00000L; // R1 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)p_arg; //R0 : 傳遞的參數(shù) </p><p>　　// 剩下的寄存器初始化 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R11 </p>

85、<p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //R10 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R9 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //R8 </p><

86、p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //R7 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R6 </p><p>　　*(--stk) = (INT32U)0x00000000L; // R5 </p><p>　　*(--st

87、k) = (INT32U)0x00000000L; // R4 </p><p>　　return (stk); </p><p>　　} </p><p>　　其他的鉤子函數(shù)都為空函數(shù)。這樣，整個移植的代碼就介紹完了。整個移植的過程非常容易。剩下的工作就是編寫用戶任務，并在開發(fā)板上驗證，以此來驗

88、證該移植方案是可行的和成功的。</p><p>　　3 LCD屏程序設計及調試</p><p><b>　　3.1 工具概述</b></p><p>　　RVMDK源自德國的KEIL公司，是RealView MDK的簡稱。RealView MDK集成了業(yè)內最領先的技術，支持ARM7、ARM9和Cortex-M3核處理器，自動配置啟動代碼，集成

89、Flash燒寫模塊，強大的Simulation設備模塊，性能分析等功能。</p><p>　　3.1.1 keil4工程建立以及仿真方法</p><p><b>　?。?）新建工程。</b></p><p>　　打開MDK軟件，選擇Project→New uVision Project菜單項，新建一個文件夾名為“畢業(yè)設計”，保存，則彈出器件選擇

90、對話框，這里選擇STM32F103RB。單擊“OK”按鈕，則彈出一個對話框加載啟動文件到工程中。</p><p>　　打開“畢業(yè)設計”文件夾，在里面添加子文件夾</p><p>　?。?）添加系統(tǒng)文件與工程管理。</p><p>　　回到“畢業(yè)設計”文件夾中，把系統(tǒng)SYSTEM文件夾（delay,sys,usart文件夾）復制過來，再建立main和hardware文

91、件夾用于主函數(shù)和各外設資源函數(shù)?；氐焦こ讨?，點擊manage components，添加工程中的文件，進行分類管理工程。</p><p>　?。?）最后新建 main文件，在編輯區(qū)寫代碼。</p><p>　　3.1.2 硬件平臺紹</p><p>　　ALIENTEK MiniSTM32選擇的是STM32F103RBT6 作為MCU，STM32F103的

92、型號眾多，作為一款低端開發(fā)板，選擇 STM32F103RBT6是最佳的選擇。128K FLASH、20K SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB 、1個CAN、2個12位的ADC、RTC、51個可用IO腳···，這樣的配置無論放到那里都是很不錯的了，更重要的是其價格，18元左右的零售價，相對其他芯片配置及價格，所以我們選擇了它作為我們的主芯片。</p><p>　　BOOT1用于

93、設置STM32的啟動方式，其對應啟動模式如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 BOOT0、BOOT1啟動模式表</p><p>　　按照表3.1，一般情況下如果我們想用用串口下載代碼，則必須配置BOOT0為1，BOOT1為0，而如果想讓STM32一按復位鍵就開始跑代碼，則需要配置BOOT0為0，BOOT1隨便設置都可以。ALIENTEK這款開發(fā)板專門設計了一鍵下載電路，通過串口的

94、 DTR和RTS信號，來自動配置BOOT0和 BOOT1，因此不需要用戶來手動切換他們的狀態(tài)，直接串口下載和軟件自動控制，可以非常方便的下載代碼。 </p><p>　　P3和P1分別用于 PORTA和PORTB的IO口引出，其中P2還有部分用于 PORTC口的引出。PORTA和PORTB都是按順序排列的，這樣設計的目的是為了讓大家更方便地與外部設備連接。P2連接了DS18B20的數(shù)據口以及紅外傳感器的數(shù)據線，它

95、們分別對應著 PA0和PA1，只需要19通過跳線帽將P2和P3連接起來就可以使用了。這里不直接連在一起的原因有二：1，防止紅外傳感器和DS18B20 對這兩個IO口作為其他功能使用的時候的影響；2，DS18B20 和紅外傳感器還可以用來給其他板子提供輸入，等于我們的板子為別的板子提供了紅外接口和溫度傳感器，在調試的時候，還是蠻有用的。P4口連接了PL2303的串口輸出，對應著 STM32的串口1（PA9/PA10），在使用的時候，也是通

96、過跳線帽將這兩處連接起來。這樣設計有2個好處：1，使得 PA9和PA10用作其他用途。</p><p>　　使用的時候，不受到PL2303的影響。2，USB 轉串口可以用作他用，并不僅限在這個板上的STM32使用，也可以連接到其他板子上，這樣ALIENEK MiniSTM32 就相當于一個USB 串口。P5口是另外一個IO引出排陣，將PORTC和PORTD等的剩余IO口從這里引出。 </p><

97、;p>　　在此部分原理圖中，我們還可以看到STM32F103RBT6 的各個IO口與外設的連接關系，這些將在后面給大家介紹。 這里STM32的VBAT 采用CR1220 紐扣電池和VCC3.3混合供電的方式，在有外部電源（VCC3.3）的時候，CR1220不給VBAT供電，而在外部電源斷開的時候，則由CR1220給VBAT供電。這樣，VBAT總是有電的，以保證RTC的走時以及后備寄存器的內容不丟失。</p><

98、p><b>　　3.2 硬件結構</b></p><p>　　3.2.1 STM32最小系統(tǒng)</p><p>　　STM32F103最小系統(tǒng)包括電源電路，復位電路，時鐘電路，主芯片和下載接口。STM32F103使用3.3V供電，且引腳接有濾波電容，保證芯片工作穩(wěn)定；復位電路使用的低電平復位，該電路上電可以復位，按鍵按下時也可以復位；時鐘電路使用8MHZ晶振，和2

99、2pF電容助振。</p><p><b>　　圖3.1 最小系統(tǒng)</b></p><p>　　3.2.2 LCD接口</p><p>　　顯示電路使用的是2.4寸的TFT液晶顯示器，該顯示器有16位的數(shù)據口和5位的控制端口。</p><p><b>　　圖3.2 液晶顯示</b></p>

100、<p>　　3.2.3 LED接口</p><p>　　輸入單元和指示部分，直接引到STM32F103的IO口。</p><p>　　圖3.3 按鍵和LED燈</p><p>　　3.2.4 紅處接收電路</p><p>　　HS0038用于顯度的采集，其通信是單總線式，直接與STM32F103相連。</p>&l

101、t;p>　　圖3.4 紅處接收單元</p><p><b>　　3.3 C程序設計</b></p><p>　　在µC/OS-II里面創(chuàng)建6個任務：開始任務、LED0、LED1、觸摸屏，KEY按鍵任務和LCD顯示任務，開始任務用于創(chuàng)建其他（LED0、LED1、紅處接收、按鍵和LCD顯示）任務，之后掛起；LED0任務用于控制DS0的亮滅，DS0每秒鐘亮8

102、00ms；LED1任務用于控制DS1的亮滅，DS1亮300ms，滅300ms，依次循環(huán)；觸摸屏任務用于手寫輸入，并立即顯示；LCD顯示任務用于顯示圖形，和接收紅外信號信息顯示出來；KEY按鍵任務分別使屏進入校準功能，以及顯示歡迎界面。 </p><p>　　首先，建立基本的工程后，在該工程源碼下面加入µC/OS-II文件夾，存放µC/OS-II源碼（我們已經將µC/OS-II源碼分為

103、三個文件夾：CORE、PORT和CONFIG）。打開工程，新建µC/OS-II-CORE、µC/OS-II -PORT和µC/OS-II -CONFIG三個分組，分別添加µC/OS-II三個文件夾下的源碼，并將這三個文件夾加入頭文件包含路徑。</p><p>　　µC/OS-II-CORE分組下面是µC/OS-II的核心源碼，我們不需要做任何變動。 &l

104、t;/p><p>　　µC/OS-II-PORT分組下面是我們移植µC/OS-II要修改的3個代碼，這個在移植的時候完成。 </p><p>　　µC/OS-II-CONFIG分組下面是µC/OS-II的配置部分，主要由用戶根據自己的需要對µC/OS-II進行裁剪或其他設置。工程框架如下圖3.5：</p><p>　　其

105、次，對os_cfg.h里面定義OS_TICKS_PER_SEC的值為200，也就是設置µC/OS-II的時鐘節(jié)拍為5ms，同時設置OS_MAX_TASKS為10，也就是最多10個任務（包括空閑任務和統(tǒng)計任務在內）。</p><p>　　再次，在main.c文件中設置任務堆棧大小、設置任務優(yōu)先級、任務堆棧，創(chuàng)建5個任務。如圖3.5所示：</p><p><b>　　圖3.

106、5 任務結構</b></p><p><b>　　3.4 調試</b></p><p>　　3.4.1 設置編譯環(huán)境</p><p>　?。?）打開project菜單，選擇Options for Target“畢業(yè)設計”對話框，如圖3.6在target中，將晶振選為8MHz；在output中，將Creat HEX File復選框選中

107、。為調試方便，將產生調試中間信息的復選框也選中。</p><p>　　圖3.6 編譯環(huán)境窗口</p><p>　?。?）在C/C++中，將各分文件的路徑加入如圖3.7</p><p><b>　　圖3.7 路徑添加</b></p><p>　?。?）在Debug中，將Use選中并設置為Cortex-M/R J-LINK/

108、J-Trace,設為JINK連接實物仿真了。</p><p>　?。?）在Utilities中，設置如圖3.8,并打開Settings,設置FLASH為256KB。</p><p>　　圖3.8 Utilities</p><p>　　3.4.2 調試結果</p><p>　　編譯程序，排出error和warning，如圖3.9得到正確的程序

109、，下載程序到開發(fā)板上，得到了預期結果</p><p><b>　　圖3.9 編譯結果</b></p><p>　　將程序下載到開發(fā)板上，并觀察現(xiàn)象，LED小燈按程序要求正常運行，紅外接收器正確顯示數(shù)值，按鍵KEY0可實現(xiàn)進入校準功能，KEY1可以顯示歡迎界面，KEY2可以清除，說明程序正確?，F(xiàn)象如圖3.10</p><p>　　圖3.10 實物

110、現(xiàn)象</p><p><b>　　結 語</b></p><p>　　本文完成基于32位ARMv7微處理器Cortex-M3和嵌入式實時操作系統(tǒng)µC/OS-II的嵌入式操作系統(tǒng)的移植和功能的實現(xiàn)。經過幾個月的深入學習，了解了嵌入式操作系統(tǒng)µC/OS-II的性能、特點、結構和基本運行原理，以及通過實驗調試的方法完成對µC/OS-II時

111、間管理函數(shù)，任務管理函數(shù)的靈活應用。認真掌握Cortex-M3的硬件結構和指令系統(tǒng)，并在ALIENTEK MiniSTM32開發(fā)板上調試串口，TFT彩屏以及ADC實驗。本文將嵌入式實時操作系統(tǒng)µC/OS-II移植到Cortex微處理器上，并對其進行系統(tǒng)測試和系統(tǒng)功能實現(xiàn)，實現(xiàn)了一個基本完整的嵌入式實時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面實現(xiàn)了單個IO口和多人IO口的組合輸入輸出控制，采用模塊化設計思想，具有代表性。另一方面，它又是一個相對完

112、整的系統(tǒng)，可以應用于工業(yè)控制的各個顯示終端，完成指示功能。由于實時操作系統(tǒng)內核µC/OS-II是為嵌入式應用編寫的通用軟件，所以不得不強調處理器的通用性和功能的全面性。在實際應用中可以根據需要裁減和優(yōu)化。其次，本文所調度的任務較簡單，主要是為了說明方法。</p><p>　　在程序調試過程中，由于對STM32RTB6內核學習還不是很透徹，出現(xiàn)了警告，一直困擾。任務中加入更多任務時老出錯，程序不能正常運行

113、，但通不斷學習，查閱資料得以解決。</p><p>　　本人認真進行了課題的研究并完成了本論文，由于作者水平有限，論文中可能仍有錯誤和不足之處，敬請大家批評指正。</p><p>　　最后，感謝指導老師的關懷和細心的指導，感謝同學們的幫助。謝謝你們的支持！</p><p><b>　　主要參考文獻</b></p><p>