《基于Cortex-M4的ucOS-III的应用》课程设计 结题报告

《基于Cortex-M4的ucOS-III的应用》课程设计 结题报告

• 小组成员姓名：20155211 解雪莹 20155217 杨笛 20155227 辜彦霖
• 指导教师：娄嘉鹏

一、设计方案及可行性分析

• 题目要求：ucOS-III的移植；设计三个小实验：单一任务、多任务、并发任务。

1、设计方案

首先运行老师给的范例代码熟悉开发软件和开发板的使用；收集资料简单了解UCOSIII的基本概念，然后进行UCOSIII移植（移植到STM32f407开发板）；移植成功后开始进行UCOSIII实例编程（实例老师给了，就只需要进行代码修改与调试运行）

2、可行性分析

• uC/OS-III(Micro C OS Three微型的C语言编写的操作系统第3版)是一个可升级、可固化、基于优先级的实时内核。它管理的任务个数不受限制。它是第三代内核，提供了现代实时内核所期望的所有功能包括资源管理、同步、内部任务交流等。uC/OS-III也提供了很多特性是在其他实时内核中所没有的，比如能在运行时测量运行性能，直接得发送信号或消息给任务，任务能同时等待多个信号量和消息队列。

• OSIII有以下几个重要特性：

• 极短的关中断时间

• 任务数目不受限制

• 优先级数量不受限制

• 内核对象数目不受限制

• 软件定时器

• 同时等待多个内核对象

• 直接向任务发送信号

• 直接向任务发送消息

• 任务寄存器

• 任务时钟节拍处理

• 防止死锁

• 所谓移植，是指能让uC/OS-III在某个微处理器或者为控制器上能够运行。为了方便移植，uC/OS-III的绝大部分代码使用C语言写的。在移植过程中我们重点是需要用C语言和汇编语言编写一些与处理器有关的代码。而且uC/OS-III中那些与CPU寄存器打交道的代码只能用汇编语言编写（除非C编译器支持内嵌汇编语言）。得益于uC/OS-III在设计时对可移植性的充分考虑，其在各个平台上的移植还是比较容易的。值得一提的是Micrium公司已经在各个主流的处理器上做好了移植工作，这些移植好的代码在官网上是可以直接免费下载的。我们站在巨人的肩膀上从官方移植文件入手。

二、详细设计思路

1．UCOSIII移植过程

1）移植成功的几个前提条件：

• 处理器有可用的ANSI C编译器，能生成可重入性代码。
• 处理器支持中断，并且可产生定时中断（通常在10~1000Hz之间）。
• 可以开关中断。
• 处理器支持能够容纳足够多的数据（数千字节）的硬件堆栈。
• 处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出并存储到堆栈或内存中的指令。
• 处理器有足够的RAM空间用来存储UCOSIII的变量、数据结构体和内部任务堆栈。
• 编译器应该支持32位数据类型。

移植主要涉及三方面的内容：CPU、操作系统和板级代码（板级支持包BSP）。我们的移植对象为STM32F407。

2)移植具体过程

• 选择一个基础的用ST官方库代码进行编写的程序作为移植基础。这里我们选择一个简单的跑马灯程序作为移植的基础程序（跑马灯程序本来是裸机跑的程序，我们要将uC/OS-III移植到该跑马灯程序中）。
• 下载UCOSIII源码。
• 在待移植的工程目录（跑马灯程序）中新建一个uC/OS-III文件夹，然后将我们下载的Micrium官方移植工程中的uC-CPU、uC-LIB、UCOS-III这三个文件复制到工程中。这里还需在UCOSIII文件中新建两个文件：UCOS_BSP、UCOS_CONFIG。向UCOS_CONFIG中添加文件，复制Micrium官方移植好的工程中的相关文件到UCOS_CONFIG文件夹下，文件路径为：Micrium官方移植\Software\EvalBoards\Micrium\uC-Eval-STM32F107\uCOS-III；复制Micrium官方移植好的工程的相关文件到UCOS_BSP文件下，路径为：Micrium官方移植\Software\EvalBoards\Micrium\uC-Eval-STM32F107\BSP。
• 准备好了所需文件后，还要将文件添加到我们的工程中去，在KEIL中先添加分组，如下图所示：

• 添加完分组还要给分组添加文件，添加情况如图所示：

• 为了编译时能找到相关文件，这里还需要设置包含路径，设置情况如下图所示：

• 修改bsp.c和bsp.h文件；修改os_cpu_c.c文件；修改os_cfg_app.h
• 修改sys.h: 将SYSTEM_SUPPORT_OS置1，以支持UCOS操作系统。

2．说明程序中用到的关键数据类型的定义，绘制关键程序的流程图，以及各子模块间的调用关系图。

• 本次实验中，我们用到FSMC驱动LCD，通过前面电路的介绍，我们知道TFTLCD的RS接在FSMC的A18上面，CS接在FSMC_NE4上，并且是16位数据总线，即我们使用的是FSMC的第四区，我们在lcd.h里面定义LCD操作结构体为：

//LCD地址结构体
typedef struct
{
	u16 LCD_REG;
	u16 LCD_RAM;
} LCD_TypeDef;
//使用NOR/SRAM的 Bank1.sector4,地址位HADDR[27,26]=11 A18作为数据命令区分线
//注意16位数据总线时STM32内部地址会右移一位对齐!
#define LCD_BASE        ((u32)(0x6C000000 | 0x0007FFFE))
#define LCD             ((LCD_TypeDef *) LCD_BASE)

• 其中，LCD_BASE，必须根据外部电路的连接设定，我们使用Bank1.sector4就是从地址0X6C000000开始，而0X0007FFFE，是A18的偏移量。我们将这个地址强制转换成LCD_TypeDef的结构体地址，就可以得到LCD->LCD_REG的地址为0X6C07FFFE，而LCD->LCD_RAM的地址为0X6C080000。所以有了这个定义，当我们要往LCD写命令/数据时，可以这样写：

LCD->LCD_REG=CMD;//写命令
LCD->LCD_RAM=DATA;//写数据
而读的时候反过来操作就可以了，如下表示：
CMD =LCD->LCD_REG;//读LCD寄存器
DATA =LCD->LCD_RAM;//读LCD数据

• 接下来介绍lcd.h里的另一个重要结构体：

//写寄存器函数
//regval:寄存器值
void LCD_WR_REG(vu16 regval)
{
	regval=regval;		//使用-O2优化的时候,必须插入的延时
	LCD->LCD_REG=regval;//写入要写的寄存器序号
}
//写LCD数据
//data:要写入的值
void LCD_WR_DATA(vu16 data)
{
	data=data;			//使用-O2优化的时候,必须插入的延时
	LCD->LCD_RAM=data;
}
//读LCD数据
//返回值:读到的值
u16 LCD_RD_DATA(void)
{
	vu16 ram;			//防止被优化
	ram=LCD->LCD_RAM;
	return ram;
}
//写寄存器
//LCD_Reg:寄存器地址
//LCD_RegValue:要写入的数据
void LCD_WriteReg(u16 LCD_Reg,u16 LCD_RegValue)
{
	LCD->LCD_REG = LCD_Reg;		//写入要写的寄存器序号
	LCD->LCD_RAM = LCD_RegValue;//写入数据
}
//读寄存器
//LCD_Reg:寄存器地址
//返回值:读到的数据
u16 LCD_ReadReg(u16 LCD_Reg)
{
	LCD_WR_REG(LCD_Reg);		//写入要读的寄存器序号
	delay_us(5);
	return LCD_RD_DATA();		//返回读到的值
}
//开始写GRAM
void LCD_WriteRAM_Prepare(void)
{
 	LCD->LCD_REG=lcddev.wramcmd;
}
//LCD写GRAM
//RGB_Code:颜色值
void LCD_WriteRAM(u16 RGB_Code)
{
	LCD->LCD_RAM = RGB_Code;//写十六位GRAM
}

• 因为FSMC自动控制了WR/RD/CS等这些信号，通过这些函数，我们就可以对LCD进行各种操作了。

• 接下来要介绍的函数是坐标设置函数，代码如下：

//设置光标位置
//Xpos:横坐标
//Ypos:纵坐标
void LCD_SetCursor(u16 Xpos, u16 Ypos)
{
 	if(lcddev.id==0X9341||lcddev.id==0X5310)
	{
		LCD_WR_REG(lcddev.setxcmd);
		LCD_WR_DATA(Xpos>>8);
		LCD_WR_DATA(Xpos&0XFF);
		LCD_WR_REG(lcddev.setycmd);
		LCD_WR_DATA(Ypos>>8);
		LCD_WR_DATA(Ypos&0XFF);
	}else if(lcddev.id==0X6804)
	{
		if(lcddev.dir==1)Xpos=lcddev.width-1-Xpos;//横屏时处理
		LCD_WR_REG(lcddev.setxcmd);
		LCD_WR_DATA(Xpos>>8);
		LCD_WR_DATA(Xpos&0XFF);
		LCD_WR_REG(lcddev.setycmd);
		LCD_WR_DATA(Ypos>>8);
		LCD_WR_DATA(Ypos&0XFF);
	}else if(lcddev.id==0X5510)
	{
		LCD_WR_REG(lcddev.setxcmd);
		LCD_WR_DATA(Xpos>>8);
		LCD_WR_REG(lcddev.setxcmd+1);
		LCD_WR_DATA(Xpos&0XFF);
		LCD_WR_REG(lcddev.setycmd);
		LCD_WR_DATA(Ypos>>8);
		LCD_WR_REG(lcddev.setycmd+1);
		LCD_WR_DATA(Ypos&0XFF);
	}else
	{
		if(lcddev.dir==1)Xpos=lcddev.width-1-Xpos;//横屏其实就是调转x,y坐标
		LCD_WriteReg(lcddev.setxcmd, Xpos);
		LCD_WriteReg(lcddev.setycmd, Ypos);
	}
}

• 该函数实现将LCD的当前操作点设置到指定坐标（x,y）。因为不同型号的屏不太一样，所以进行了区别对待。

3．实验现象

1.编译结果

2.下载

3.LCD显示高优先级任务

4.LCD显示中优先级任务

5.LCD显示低优先级任务

三、源代码及注释

int main(void)
{
    OS_ERR err;
	CPU_SR_ALLOC();
	LCD_Init();			            //初始化LCD
	POINT_COLOR = RED;
	LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"Apollo STM32F4/F7");
	LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"UCOSIII Examp 10-5");
	LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mutex test");
	LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
	LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"2018/5/30")；

//创建HIGH任务
	OSTaskCreate((OS_TCB 	* )&High_TaskTCB,
		 (CPU_CHAR	* )"High task",
                 (OS_TASK_PTR )high_task,
                 (void		* )0,
                 (OS_PRIO	  )HIGH_TASK_PRIO,
                 (CPU_STK   * )&HIGH_TASK_STK[0],
                 (CPU_STK_SIZE)HIGH_STK_SIZE/10,
                 (CPU_STK_SIZE)HIGH_STK_SIZE,
                 (OS_MSG_QTY  )0,
                 (OS_TICK	  )0,
                 (void   	* )0,
(OS_OPT      )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR|OS_OPT_TASK_SAVE_FP,
                 (OS_ERR 	* )&err);
         OS_CRITICAL_EXIT();	//退出临界区
	OSTaskDel((OS_TCB*)0,&err);	//删除start_task任务自身
}

//开始任务函数
void start_task(void *p_arg)
{
	OS_ERR err;
	CPU_SR_ALLOC();
	p_arg = p_arg;
	CPU_Init();
#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,设置默认的时间片长度
	OSSchedRoundRobinCfg(DEF_ENABLED,1,&err);
#endif	

	OS_CRITICAL_ENTER();	//进入临界区
	//创建一个互斥信号量
	OSMutexCreate((OS_MUTEX*	)&TEST_MUTEX,
				  (CPU_CHAR*	)"TEST_MUTEX",
                  (OS_ERR*		)&err);

	//创建HIGH任务
	OSTaskCreate((OS_TCB 	* )&High_TaskTCB,
		 (CPU_CHAR	* )"High task",
                 (OS_TASK_PTR )high_task,
                 (void		* )0,
                 (OS_PRIO	  )HIGH_TASK_PRIO,
                 (CPU_STK   * )&HIGH_TASK_STK[0],
                 (CPU_STK_SIZE)HIGH_STK_SIZE/10,
                 (CPU_STK_SIZE)HIGH_STK_SIZE,
                 (OS_MSG_QTY  )0,
                 (OS_TICK	  )0,
                 (void   	* )0,
(OS_OPT      )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR|OS_OPT_TASK_SAVE_FP,
                 (OS_ERR 	* )&err);

//创建MIDDLE任务
//	OSTaskCreate((OS_TCB 	* )&Middle_TaskTCB,
//   		 (CPU_CHAR	* )"Middle task",
//               (OS_TASK_PTR )middle_task,
//               (void		* )0,
//               (OS_PRIO	  )MIDDLE_TASK_PRIO,
//               (CPU_STK   * )&MIDDLE_TASK_STK[0],
//               (CPU_STK_SIZE)MIDDLE_STK_SIZE/10,
//               (CPU_STK_SIZE)MIDDLE_STK_SIZE,
//               (OS_MSG_QTY  )0,
//               (OS_TICK	  )0,
//               (void   	* )0,
//               (OS_OPT      )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR|OS_OPT_TASK_SAVE_FP,
//               (OS_ERR 	* )&err);

//创建LOW任务
//	OSTaskCreate((OS_TCB 	* )&Low_TaskTCB,
//		  (CPU_CHAR	* )"Low task",
//                (OS_TASK_PTR )low_task,
//                (void		* )0,
//                (OS_PRIO	  )LOW_TASK_PRIO,
//                (CPU_STK   * )&LOW_TASK_STK[0],
//                (CPU_STK_SIZE)LOW_STK_SIZE/10,
//                (CPU_STK_SIZE)LOW_STK_SIZE,
//                (OS_MSG_QTY  )0,
//                (OS_TICK	  )0,
//                (void   	* )0,
//                (OS_OPT      )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR|OS_OPT_TASK_SAVE_FP,
//                (OS_ERR 	* )&err);
	OS_CRITICAL_EXIT();	//退出临界区
	OSTaskDel((OS_TCB*)0,&err);	//删除start_task任务自身
}

//高优先级任务的任务函数
void high_task(void *p_arg)
{
	u8 num;
	OS_ERR err;
	CPU_SR_ALLOC();
	LCD_Init();			            //初始化LCD
	while(1)
	{
		LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2018/5/30");
		POINT_COLOR = BLACK;
	        OS_CRITICAL_ENTER();
	        LCD_DrawRectangle(5,110,115,314); 	//画一个矩形
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500,OS_OPT_TIME_PERIODIC,&err);  //延时500ms
	}
}
//中等优先级任务的任务函数
void middle_task(void *p_arg)
{
	u8 num;
	OS_ERR err;
	CPU_SR_ALLOC();
	POINT_COLOR = BLACK;
	OS_CRITICAL_ENTER();
	LCD_DrawRectangle(125,110,234,314); //画一个矩形
	LCD_DrawLine(125,130,234,130);		//画线
	POINT_COLOR = BLUE;
	LCD_ShowString(126,111,110,16,16,"Middle Task");
	OS_CRITICAL_EXIT();
	while(1)
	{
		num++;
		printf("middle task Running!\r\n");
		LCD_Fill(126,131,233,313,lcd_discolor[13-num%14]); //填充区域
		LED0=!LED0;
		OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0,OS_OPT_TIME_PERIODIC,&err);  //延时1s
	}
}
//低优先级任务的任务函数
void low_task(void *p_arg)
{
	static u32 times;
	OS_ERR err;
	while(1)
	{
                LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"Low Task");
	OSMutexPend (&TEST_MUTEX,0,OS_OPT_PEND_BLOCKING,0,&err);//请求互斥信号量
	printf("low task Running!\r\n");
	for(times=0;times<20000000;times++)
	{
		OSSched();								//发起任务调度
	}
	OSMutexPost(&TEST_MUTEX,OS_OPT_POST_NONE,&err);//释放互斥信号量
	OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0,OS_OPT_TIME_PERIODIC,&err);   //延时1s
	}
}

• 该部分代码通过切换不同的任务来得到不同的实验现象。其中，高优先级任务将显示一个矩形并带有实验日期；中优先级将显示绿色矩形+横线，带有“Middle Task”字样；低优先级将显示“Low Task”字样和实验日期。

五、个人报告

1、小组贡献排序及依据（每个人的工作量）。

• 20155227辜彦霖：参与课设题目讨论及完成全过程；资料收集；负责主要代码调试。
• 20155217杨笛：参与课设题目讨论及完成全过程；辅助调试代码；撰写实验指导；撰写小组结题报告。
• 20155211解雪莹：参与课设题目讨论及完成全过程；辅助调试代码。

2、个人报告（附件）。