一步步建立 STM32 UCOS 模板

2023年12月10日发(作者：对学生会的建议)

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uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1 ——构建模板（基于STM32控制的第四代圆梦小车）  一、 序 基于第四代圆梦小车 ——  FIRA 设计了一个使用STM32的控制板（详细介绍见项目中的说明： Introduction B ‐ Hardware of the Smart  ）。 既然硬件从51升级到ARM，软件也应该相应升级，似乎不能再编写那种简单的轮询调度程序，也应该相应升级到基于操作系统编程。 按STM32的规模和性能，以及小车的控制需求，实时多任务操作系统 uCOSII 应该是不二的选择，不论从其性能和功能考虑，还是从学习角度考虑，uCOSII 都很适合。 首先，它是开源的，有丰富的资源。

其次，它是可靠的，符合正式的工业控制、产品设计需求。

小车所面对的是那些学习相关专业的大学生，作为他们学习的辅助工具，趣味性只是为了降低学习的枯燥性，不是目的。他们借助这个平台是为了积攒应付未来工作的能力，所以，学习内容的实用性是必须考虑的。  本人从未基于操作系统编写嵌入式程序。 开始使用 MCU 的时候，MCU 的内存太小，256字节 RAM ，2K字节 ROM，能勉强把程序装入就不错了，连 C 语言都不敢选择。 而且，那时好像也没有 RTOS（Real Time Operation System），或者是由于信息交流渠道匮乏，不知道有 RTOS。 既然我提供了这个平台，也借此机会尝试一下，和大家一起学习使用 uCOSII。（从单片机应用升级为嵌入式应用 ^_^） 第 1 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 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) 如何建立一个基于 uCOSII 的编程环境（目录、文件组织）； 2) 如何基于IDE（IAR或RvMDK）建立一个工程，能够产生可以运行的程序； 3) 得到一个“干净的”、可以作为模板的uCOSII程序组（Project）； 4) 通过上述过程初步理解在 uCOSII 下如何编写应用程序。  之所以要把“如何建立……”作为需求，而不是找一个现成的模板或示例程序修改、添加自己的功能，是因为看了许多这种程序，感觉“极不可靠”！因为程序中有太多的东西不知道为何而存在？不知道为何而被注释掉？似乎这些东西都像“定时炸弹”，早晚会给你的程序带来麻烦。 同时，也给自己理解程序的构成和运行机制带来困扰，既然是学习，就应该知其然、知其所以然，否则也谈不上“掌握”，更不敢在日后的工作中应用（如果是打工，也许还敢试试，如果是用自己的钱做产品、项目，我想你一定不敢用），如此则和做此事的初衷相悖了。  三、如何入手？ uCOS的书有很多，也看了许多，但多数都是解析操作系统本身的，或者是如何移植，鲜有书籍、资料教你如何在操作系统下编程。 实际上，对于学习者，特别是初学者，更多需要的是学会如何在一个移植好的系统下编程，等到能基于操作系统实现自己的功能后，才会有心思去探究操作系统是如何在自己的

MCU 上运行的（移植），以及那些神秘的系统功能是如何实现的（了解系统函数及运行机制）。 而且这种探究也是有选择性的，首先是自己用到的功能才有兴趣去研究，否则如坠云雾。其次，取决于自己所扮演的角色，如果只是学习一下，那只需泛泛了解，有个定性的认识即第 2 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

可。如果要用于产品，那可能要深究，吃透其源代码，以保证产品的可靠和高效。

所以，要想学习有效，学习的方式首先要“正确”。 在编程理念上，人们已经接受了“面向对象”的思维方式，并且承认了其优越之处。

可在学习方式上似乎并未接受，至少大多数书籍还是基于“过程”的，目前所倡导的“任务驱动”（或者称之为“项目驱动”）模式似乎未被响应，而所谓“任务驱动”我觉得从实质上讲类似于编程中的“面向对象”概念。 “面向对象”核心是将编程的关注点放在要实现的功能上，而非实现功能的方式。 “任务驱动”核心是将学习的关注点放在要完成的任务上，而非完成任务的技能。 “面向对象”的优点源于这种思维方式转变带来了逻辑关系的清晰，从而使程序易于理解，带来的所有好处我认为都源于“易于理解”，如可移植性、可靠性、便于多人合作等。 而“任务驱动”同样也是得益于“易于理解”！（使用OS编程也是为了“易于理解”） 以往的“教”和“学”都是先传授知识、技能，后让学生使用之。可痛苦在于，这些知识、技能是前人为了解决某些问题而创建的，准确的说应该是解决问题后抽象出来的。学生们却要先把抽象的“记住”、“理解”，“暂存”后再去找机会用。想象一下，学的过程会有多“枯燥”，更可悲的是，到需要用时，“暂存”的东西找不到了 󰀯。 人通常对于明确目标的事情有较强的兴趣，而且目标越近，动力越大，越亢奋。对于不知为何而做的事很难投入，通常是三心二意应付了之。目前的大学多数是这个状况。 所谓“任务驱动”就是先明确目标，再去学习实现目的所需的知识和技能。这样学生在整个学习过程中都会主动去思考，不断斟酌正在学的东西可以怎样帮助自己实现目标。此时，你想让他走神都难。 所以，本学习过程尝试采用“任务驱动”方式。首先要确定一个合适的目标作为学习的素材，目标要可行、能提起兴趣，否则无异于没有。 第 3 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

我所选择的目标是用 STM32去控制一个小车。小车控制涵盖了数字输出输入、模拟输入、定时器应用、通讯应用等，应该说嵌入式控制常用的知识均已包含。 因为电机驱动，转动检测、电机电流检测、通讯等需求同时存在，而且这些任务都有响应时间要求，uCOS 的实时多任务特征正好可以得到应用。 小车可以扩展，控制板有I2C接口，很多传感器都带。但那是在小车控制自如后的事了。 本系列文章就准备在这个基础上逐渐深入。  四、初步规划 从03年开始关注 uCOSII ，买了邵老师的书。真正开始看是08年，我的第二代小车推出STM32扩展版之后。晕晕乎乎将书看完，结果还是无从下手，半途而废。 这次重新启动是因为第四代小车没有设计51的控制器，为了演示只能编写STM32的控制程序。 为避免再次夭折，强迫自己不再为了销售而编写不带系统的示例程序。那样虽很快捷，借助于ST的库，初始化好硬件，直接使用原来基于51的C程序即可。 可如果那样，或许就没有动力和压力去“折磨”自己，尝试在uCOSII下编程了。不过这次我决定更章易辙，从应用入手，不再纠缠于系统本身。  1）买一个移植成功的学习板作为参考（我买的是“奋斗STM32”），期望少走些弯路。 2）买了本《基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术》，期待得到系统的指引。 3）从uCOS的官网（/page/home）下载最新的uCOS源程序及资料。 4）以驱动小车控制板上唯一的LED为任务，自己构建编程环境和工程，作为日后深入的基础。 因为51我是用Keil的，所以ARM决定还是用Keil，减小难度。 第 4 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

五、实施 5.1 准备工作

uCOS官网上有移植好的 Cortex‐M3 上的 uCOSII，程序包为： Micrium‐ST‐uCOS‐II‐LCD‐ 下载安装后，里面有uCOS源程序、ST库、基于ST学习板的示例程序、相应的说明。 看了若干资料，觉得最有价值莫过于从官网上下载的手册： AN­1018 ：µC/OS­II and the ARM Cortex‐M3 Processors 特别是其中的这张图：   第 5 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

对照ReadMe 文件中的目录说明：   第 6 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

结合“程序关系图”、“目录文件说明”，浏览一下相关内容，那张“程序关系图”最好能映射在脑中，对理解、构建程序极为有益！ 通过浏览，在脑中形成一个uCOS实现的框架，此时不必了解细节。 再把示例程序在IDE中打开编译、运行看看，因为我没有ST的学习板，就以奋斗STM32板的示例为参考。 这一步主要是为了验证IDE环境是否正确，因为示例的工程是正确的，如果此时有问题应出在IDE环境安装环节。如果开始就建立自己的工程，出现障碍则无法判断。  这次看这些文件似乎有些感觉，不知道是不是那些似懂非懂的阅读从量变到质变了。 不过回想学计算机的经历，似乎每次学习新的东西都要有个“从混沌的积累到顿悟”的过程，或许这就是计算机知识的特征：每个概念都建立在一大堆概念之上，而且都是多因素网状关联，需要同时“拥有”才能得到“答案”。  5.2 动手实施

示例程序还是比较“复杂”，因为它需要演示板上所有的功能。以STM3210B‐EVAL为例，它上面有LCD、按钮、JoyStick、M25 Flash等外设，还支持了串口调试工具uC/Probe。 第一步我要的是一个“干净”的模板，只需要驱动一个LED，即一个IO口，因为这几乎是所有系统都会设计的。 通过这个模板，我希望理解uCOS下的程序是如何工作的。 至于调试用的 uC/Probe，相对于这一步所具备的水平，属于“奢侈品”，暂时还无法享用，所以暂不考虑，等日后程序功能多了，编程自如了，再“锦上添花”。  第一步：构建程序目录

首先根据自己的需要构建一个目录。 第 7 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

因为我希望分步实现目标，将每一步都保留，而不是做完后只剩最后一步的内容，这样别人参考就比较容易，不会像uCOS附带的示例程序，内容太多，难以消化。 但不希望每一步的目录中都包含ST和uCOS的库文件，这样一是文件太大，二是如果库文件要升级会很麻烦。 为此，构建了以下目录结构：  COMMON目录是基本不用修改的，其中内容来自：  ..MicriumSoftwareCPUSTSTM32  󰃆  STM32LIB  ..MicriumSoftwareuC‐CPU        󰃆  uC‐CPU ..MicriumSoftwareuC‐LIB         󰃆  uC‐LIB ..

MicriumSoftwareuCOS‐II        󰃆  uCOS‐II  ..

MicriumSoftwareuC‐Probe       󰃆  uC‐Probe 虽然这一步不用 uC/Probe，但日后考虑会使用，故保留。 感到遗憾的是Micrium程序包中所附的ST库是2.0版的，本来打算自己更换为3.0版，但发现有些困难，初学乍练，不敢造次，就放弃了，留待日后升级吧。 学习目录目前只有 StepByStep‐1 一个，分为三个子目录： asp —— 用于存放应用程序，就是实现功能的程序。工程文件在这个目录中。 bsp —— 用于存放相应的硬件驱动程序，用到什么添加什么。 out —— 存放所有编译、链接产生的文件，交流时这个目录内容可以不拷贝。 这样每做一步都建立一个目录，逐步丰富内容。 第 8 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

asp、bsp目录中的文件均以上述“uCOS程序关系图”中所描述的文件为基础。  第二步：构建自己的bsp文件 我参考的是这个目录： ..

MicriumSoftwareEvalBoardsSTSTM3210B‐EVALRVMDKBSP 它包含以下文件：  我不用LCD，所以去掉，bsp文件如下：  注意：除删除了三个与LCD显示相关的文件外，bsp.h和bsp.c 也作了相应修改，主要是删除了不用的外设初始化和驱动程序，只保留了必须的驱动（详见程序清单）。 bsp_int.c 和中断初始化相关，因第一步不涉及中断，故暂不处理。 Bsp_periph.c 初始化各外设的时钟，因未吃透，也暂不处理。 Init.s 是启动代码，程序复位后的入口，因第一步无特殊要求，也没有能力变出花样，不去碰它。 两个SCAT 文件是程序装载时的定位文件，STM32在这上面有不少花样，可以将指定程序加载到指定位置等，未来如果要实现小车远程程序下载或许会用到，此时还一知半解。 第 9 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

按我的理解： STM32_ 文件是为了编译生成FLASH中运行的程序用的，STM32_应该是编译生成RAM中运行的程序用的。刚从51上来，对在RAM中运行还不熟悉，故建立工程时用的是FLASH方式。 这个目录会随着外设的不断起用而丰富起来。  第三步：构建自己的应用程序

因为原来STM3210B‐Eval板就有LED显示功能，而且是4个，我所做的就是删除所有不用的功能，将4个LED驱动改为一个即可。（注意：是删除，不是注释掉） 删除后的app相当“单纯”：     第 10 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

APP目录下有如下文件：  其中app_cfg.h 也很“单纯”：  只有一个任务，确定其优先级和所用栈尺寸即可。 includes.h 里面有许多是系统需要的头文件，还没有吃透，暂不处理。 os_cfg.h 是uCOSII的配置文件，日后需要裁减系统时再琢磨，第一步不去惹它，以免系统罢工。 stm32f10x_conf.h 是STM32的配置文件，不启用的外设就注释掉，此处不用删除，因为恢复时太麻烦。 第一步应用部分只使用了一个IO口：PA3，所以从应用角度只需要打开GPIO、GPIOA，但AFIO似乎系统用了，去掉后系统编译出错，只能保留。 按我的理解，一些基础的功能系统应该需要，如中断、时钟、定时器等，没想到可以将SysTick及所有TIM注释掉，不清楚系统是如何产生定时任务切换的，如果要深入系统，这就是一个值得探讨的点。（具体保留了那些外设详见程序） vectors.s中定义了STM32所有外设的中断向量，似乎没有必要去碰它。 至此，第一步所需要的源文件已经完成，下面要拿出来“遛遛”了。  第 11 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

第四步：在MDK中构建工程 我所使用的是MDK3.5版本。构建过程如下: 1）在Project菜单中选择“New uVision Project”，创建一个新工程，放在app目录下；我所创建的工程文件名是：    YM4‐STM32‐2  2）在Project菜单中选择“manage”，为工程设置工程目标名、文件组，并在每个文件组中添加对应的文件：   因为编译产生的文件是在Flash上运行的，所以目标名用“Flash”，我觉得这个纯粹是为了便于记忆、理解。 文件组是参考示例程序及自己的理解确定的。 确定组后，添加相应的文件，包括C、S、asm（汇编）程序，asp、bsp组的文件来自对应的目录。其它都是系统文件，具体如下： STM32‐LIB文件添加自：（注：我是根据STM32f10x‐conf.h确定要添加的文件的） uCOS‐StepbyStepCOMMONSTM32LIBsrc 第 12 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 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，故没有添加文件） 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  完成上述步骤后，在IDE的Project Workspace 窗口显示如下：   3）鼠标在工程目标名“Flash”上，点右键菜单，选择“Option for Taget Flash” ，开始配置工程选项。 打开后的主界面如下： 第 13 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

 依次选择： Device： ST的STM32F103RB Target：默认值 Output：  Listing：同Output一样选择输出文件存放目录，也放在out目录下。 Ur：默认（还不明白有什么用处 󰀯）  C/C++：这个选项中有很多暂时没有吃透，第一步必须做的是：首先选择编译的的告警提示，建议用 “All Warning”，因为初学，多注意提示能帮助减少程序中的隐患。 其次就是配置include 目录，将COMMON和StepbyStep目录下所有存在 *.h的目录全部添加进去。  如下所示： 第 14 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

  Asm：默认 Linker：  Debug：按如下内容配置   第 15 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

Utilities：这一步主要配置STM32的FLASH编程算法，如下：   至此，工程全部建立完毕，可以编译了。   第五步：编译、下载、调试 这部分操作没有什么特别之处，用过Keil51就会，即使不熟悉，参考MDK的手册即可。 JTAG工具用的是市场上最常见的JLink V8。小车控制板较小，选用的是IDC10接口，需要一个转接插头。 编译时建议先单独编译自己写的程序，此处是：asp.c  bsp.c 。这样便于出错，因为编译产生的提示信息相对少些。 排除错误后再进行“Build Taget” 。   第 16 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

小车调试方式如下：   很幸运，uCOSII下的第一个程序如愿运行了 ☺  六、总结 这是我的第一个uCOSII应用程序，虽然简单，但它帮助我初步理解了如何在uCOS下编写程序，uCOS程序大概（也就达到了这个水平）是如何运行的。 有了这个基础，就可以逐步深入，以小车的控制为需求，依次启用STM32上的外设，编写相应的BSP，并根据需要编写相应的应用程序。 通过这一步，自我感觉再看uCOS源程序时容易理解多了，以前看时是被动的接受书中的概念，而这次是先有疑问，再去找答案。 第 17 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

比如说，如果对照圆梦小车二代的Step‐1程序，用延时方式控制LED闪烁，那就无法再处理其它任务，MCU全给延时循环占用了。 为解此惑，我便看了uCOS的延时源程序，理解它是如何实现延时的。我主要看了两个与定时相关的函数： OSTimeDly（INT16U ticks） OSTimeDlyHMSM（INT8U hours, INT8U minutes, INT8U conds, INT16U milli）   因为有明确的需求，所以容易理解多了，同时还发现了一个小“秘密”：用后一个函数不能提高延时的精度，虽然它提供了ms 参数，看似可以精确到ms，可如果你真想用它达到ms 分辨率的延时一定会失望的，因为它是靠调用前一个函数实现的。 由此得出结论： 1）用系统延时函数最高分辨率就是系统的 ticks，通常tick为10ms，太快了系统开销太大，所以用此方法实现 1ms 分辨率的延时不可行，虽说Step1 的tick 是1ms，但后面会改为10ms。 2）后一个函数最大的用途应该是长延时，用前一个函数最长只能 65535 个ticks。 3）如果延时小于 65535 ticks，最好用前一个，可降低开销。 4）因为这个延时是利用任务控制块中的延时计数实现的，所以精度不高，如果要准确延时，比如形成周期，最好还是直接用定时器中断配合消息机制实现。 为理解OSTimeDly，顺带看了时钟节拍函数：OSTimeTick（void），初步了解了任务切换的过程。 此文属于随笔，注重叙述过程和感悟，不想深入探讨系统实现，等小车的控制初具雏形后再考虑是否需要对应写一系列文章，专门探讨每一步所涉及的系统函数是如何工作的。  第 18 页 共 19 页 uCOS 学习随笔 StepbyStep‐1  Project: fira‐mirosot‐robot

读者如果有兴趣可以自己先尝试一下，我觉得Step1应该了解的是： 1）

2）

uCOSII的系统定时是如何产生的？使用的STM32什么硬件资源？ 看看用到的几个OS函数源代码，它们的功能是什么？如何实现？ 如： BSP_IntDisAll() OSInit() OSTaskCreate() OSTaskCreateExt() OSTaskNameSet() OSStart() 此外还有BSP中的一些函数 3）

 Step‐1 到此结束，准备着手根据需求构建任务了。  但愿本文能对那些和我一样曾经蠢蠢欲动多次又无疾而终的uCOS学习者有帮助，大家共同交流、进步！ ——————————  2010年10月20日星期三 参考资料： 1、《嵌入式实时操作系统 uC/OS‐II（第二版）》邵贝贝 等译 ISBN7‐81077‐290‐2 2、《基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术》周航慈 吴光文著 ISBN978‐7‐81077‐941‐8 3、《Cortex‐M3 + uCOS‐II嵌入式系统开发入门与应用》陈瑶等著 ISBN978‐7‐115‐23105‐5 4、《uC/OS‐II 标准教程》杨宗德 张兵 著 ISBN978‐7‐115‐20442‐4 5、uC/OS‐II 官方网站资料 6、奋斗STM32 MINI 学习板资料 消化任务控制块 TCB 中各个变量的作用，对理解OS函数很有帮助。 第 19 页 共 19 页

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