2-1 用Keil实现μC/OS-II工程搭建

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μC/OS-II工程结构

为了移植μC/OS-II，首先了解的是一般嵌入式框架，才能对所移植的操作系统的工程结构进行详细设计。

可以看到嵌入式操作系统是介于用户程序和硬件间，操作系统对用户隐藏了硬件细节，用户只需要根据操作系统提供的接口便能对各种硬件资源进行访问。

上图是μC/OS—II内核架构，可以看见最上面的是”Application Software (Your Code!)”，这是我们自己写的程序代码，运行在μC/OS操作系统之上。下面分为几个部分：μC/OS-II（处理器无关代码）、uC/OS-II配置（应用特定）、uC/OS-II端口（处理器特定代码），最后是硬件部分，包括CPU和定时器。

首先，uC/OS-II（处理器无关代码）。这部分包含了操作系统的内核代码，比如任务管理、信号量、消息队列等功能。这些代码不依赖于具体处理器，可以在不同的硬件平台上运行。图中列出了很多文件，比如OS_CORE.C、OS_FLAG.C等，这些都是实现操作系统功能的模块。接下来是uC/OS-II配置（应用特定）。这里是一些配置文件，比如OS_CFG.H和INCLUDES.H。这些文件允许我们根据具体的应用需求来配置操作系统，比如定义任务的数量、优先级等。这部分是针对具体应用的，会根据不同的项目需求进行调整。然后是uC/OS-II端口（处理器特定代码）。这部分代码与具体处理器相关，比如OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C。这些文件包含了与硬件相关的代码，比如中断处理、任务切换等。因为不同的处理器有不同的指令集和寄存器，所以这部分代码需要针对具体的硬件平台进行编写。

最后是硬件部分，包括CPU和定时器。操作系统运行在硬件之上，通过CPU执行指令，定时器则用于提供时钟中断，支持操作系统的多任务调度。

基于我们对μC/OS—II内核架构的理解，我们可以设计出移植μC/OS-II操作系统的工程结构：

用户应用部分：包括我们自己实现的各种驱动程序和主函数。用户应用程序是最终运行在系统上的代码，比如main.c、gy86.c、usart.c等。应用程序更具操作系统提供的API请求操作系统的服务。

ucosii_source:包含操作系统的内核代码，与ARM处理器无关，包括任务、信号量、内存管理、队列等功能。一般不做修改。

ucosii_ports（移植层）:ucosii_ports包含了与硬件相关的代码，比如os_cpu.c、os_cpu_a.s、os_cpu.h。这些代码负责将ucosii_core的通用代码适配到具体的硬件平台，比如STM32F401RE。是与ARM处理器直接相关的代码,也是本次在移植中需要重点修改的地方。这一部分主要是和一些处理器相关的函数/宏定义。

ucosii_cfg:操作系统参数配置文件，例如任务数量、堆栈大小、是否启用特定功能等。与ARM处理器无关。

BSP（Board Support Package版级支持包）：启动文件stm32f401xx.s，这些代码负责初始化硬件，设置堆栈、中断向量表等。BSP和ucosii_ports之间应该有直接的联系，因为它们都需要访问硬件资源。

硬件：最下层就是我们所使用的开发板STM32F401RE

μC/OS-II 移植

μC/OS-II操作系统的移植主要体现在os_cpu_a.s汇编文件的编写以及os_cpu.hos_cpu.c文件的修改上。

模块功能介绍

Source（核心，一般不作修改）

Source文件夹包含了 uC/OS II 内核的核心功能模块。这些模块提供了任务管理、时间管理、资源管理、任务通信和同步等核心功能，是 uC/OS II 内核的基础。

os_core.c：负责操作系统内核的初始化和核心功能的实现，包括任务调度器的初始化和空闲任务的创建。

os_task.c：包含任务管理相关的函数，如任务的创建、删除和任务控制块（TCB）的操作。

os_flag.c：实现事件标志组功能，用于任务间的同步和通信。

os_mem.c：提供内存管理功能，包括内存块的分配和释放。

os_tmr.c：实现软件定时器功能，允许在指定时间后执行特定操作。

os_mutex.c：提供互斥信号量功能，用于保护共享资源，防止同时访问导致的数据不一致。

os_sem.c：uC/OS II中的信号量（Semaphore）功能在任务间的同步和互斥上起着重要作用。这个文件实现了信号量的接口函数

os_mbox.c: 邮箱（Mailbox）是uC/OS II用于任务间消息传递的机制之一。这个文件实现了邮箱功能的接口函数。

os_q.c：队列（Queue）也是任务间通信常用的方式之一，这个文件实现了队列的接口函数。

ucos_ii.c：这个源文件包含了uC/OS II内核的核心功能实现，如操作系统初始化、任务调度算法、时钟节拍处理、中断管理、任务创建与删除、事件标志组、信号量、互斥量、邮箱和队列等操作的代码。它是uC/OS II操作系统运行的基础，实现了多任务环境下的同步与通信机制。

ucos_ii.h：这个头文件包含了uC/OS II内核中使用的各种数据结构的定义，如任务、事件、链表、信号量等，以及函数声明。

PORT（移植层，与硬件平台相关，需要根据具体平台进行修改）

Ports 文件夹中的文件包含了针对不同处理器平台的移植代码。每个处理器平台都有不同的硬件架构和操作系统接口，因此需要根据处理器的特点进行移植，以确保 uC/OS II 内核可以在特定处理器上正确地运行。

os_cpu.h：定义与处理器架构相关的数据类型和宏，确保操作系统能够在特定的 CPU 上运行。

os_cpu_a.asm：包含与处理器架构相关的汇编代码，如上下文切换和中断处理等底层操作。

os_cpu_c.c：实现与处理器架构相关的 C 语言函数，如任务上下文初始化等。

CONFIG（配置，根据应用需求进行修改）

Cfg文件夹中的文件用于配置 uC/OS II 内核的各种功能和选项。

os_cfg.h：用于配置操作系统的功能和特性，如任务数量、堆栈大小、是否启用某些功能等。

app_cfg.h：包含应用程序所需的头文件，确保编译器能够找到所有必要的声明和定义。

重构μC/OS-II

新建工程

第一步：新建一个文件夹ucosii，并在文件夹下面再新增四个文件夹Source、Ports、Cfg，在Source文件夹中导入官网所给的文件。

第二步：打开keil 5，新建一个工程，选择芯片型号：STM32F401RETx。

第三步：右键单击 target 1-add group 新建文件夹，并重命名为 Source、Ports、 Cfg，右键单击文件夹Source，选择add existing files to group ‘Core’，添加文件。

第四步：添加头文件路径，点击魔术棒，在C/C++和Asm里的Include Path中写入这三个文件夹的路径。

开始debug

错误类型1：缺少文件或找不到文件

解决方法：手动添加相应的文件

这个报错信息提示我们缺少app_cfg.h文件，于是我们先建立一个空的app_cfg.h文件在Cfg文件夹中。

同理添加os_cfg.h、os_cpu.h

错误类型2：os_cpu.h文件中缺少相应的数据类型的定义和函数的声明

os_cpu_.h主要包括与编译器无关，但与移植平台有关的数据类型、堆栈的数据类型、进出临界区时开关中断的方式、堆栈增长的方向、任务切换时执行的代码。

这个报错提示我们INT8U这个变量没有被定义，于是我们在os_cpu.h文件中添加相应的定义。

由于signed int，unsigned int等原生类型时，其实际位数取决于处理器。比如在16位系统中int通常为16位，而在32/64位系统中，int通常为32位。这会导致移植时不同平台时产生数据溢出等情况。

μCOS/II的解决方案：自定义数据类型。通过typedef明确定义数据类型的位数，保证了跨平台的一致性。例如:INT32U:始终表示32位无符号整数（无论处理器是16位/32位/64位）

在 STM32F401（基于ARM Cortex-M4的32位微控制器）平台上，基于ARMv7-M架构，所以找到μC/OS官方开源代码下面的Ports/ARN-Cortex-M/ARMv7-M进行移植。为了方便使用堆栈，μC/OS定义了一个堆栈数据类型。在Cortex-M4中寄存器位32位，故定义堆栈的长度也为32位。（OS_STK）

Cortex-M4状态寄存器为32位，定义OS_CPU_SR为32为，在 μC/OS-II 的临界区保护（关中断/开中断）中，需通过此类变量保存中断状态。

这个警告提示我们OS_ENTER_CRITICAL还能输在os_core.c文件中被隐式声明，即它在被调用前没有显示声明，于是我们需要在os_cpu.h文件中声明这个函数。在os_cpu_a.s中定义这个函数。以实现汇编中断函数为例，见错误类型六。

（在官方文件的函数原型中有更加详细的函数声明，定义以及参数声明，这是我们在后续挑战点完成过程中应该修改的地方。在这里只为了通过编译，骗过编译器，所以我们采用了空实现的方式。）

临界区代码：

临界区（Critical Section）是指在多线程或多进程环境中，访问共享资源（如变量、文件、设备等）的那段代码。这段代码必须保证在任何时刻只有一个线程或进程可以执行，以避免数据竞争和不一致的问题。例如，如果有多个线程同时对一个共享变量进行读写操作，而这些操作没有被正确地同步，就可能导致数据错乱。因此，访问共享资源的代码区域被称为“临界区”。

为什么需要关闭中断：

关闭中断的意思是：在执行临界区代码的时候，不允许任何其他中断来打扰，这样就能保证当前的操作（临界区代码）能够完整、安全地执行，不会被其他事情打断。

BASEPRI（Base Priority Mask Register）是 ARM Cortex-M 微控制器中的一个寄存器，用于控制中断的优先级屏蔽。它的主要作用是通过设置一个优先级阈值，来决定哪些中断可以被屏蔽，从而保护临界区代码的执行。以下是 BASEPRI 的工作机制：

💡

1. BASEPRI 的基本概念

寄存器位置：BASEPRI 是一个 CPU 寄存器，不同于通用寄存器（如 R0 ~ R15）。它用于控制中断的优先级屏蔽。

优先级屏蔽：BASEPRI 的值决定了哪些中断可以被屏蔽。具体来说，它屏蔽所有优先级数值 大于等于 BASEPRI 值的中断。优先级数值越大，优先级越低。

2. BASEPRI 的工作机制

设置 BASEPRI 的值：

当 BASEPRI 被设置为某个值 n 时，所有优先级数值 大于等于 n 的中断都会被屏蔽。
例如，如果 BASEPRI 被设置为 0x0F，那么所有优先级数值大于等于 0x0F 的中断都会被屏蔽。

屏蔽和恢复中断：

在进入临界区之前，可以通过设置 BASEPRI 来屏蔽中断，防止低优先级的中断打断临界区代码的执行。
临界区代码执行完毕后，需要恢复 BASEPRI 的值，以重新启用被屏蔽的中断。

💡

以下是关于这些函数的介绍：

#define OS_CRITICAL_METHOD 3u

ucosii提供了三种可供选择的进出临界区的方法：第一种是进入关键区时关中断，退出关键区时开中断，而不管进入时的中断是否是关闭状态；第二种时进入关键区时保存当前中断再关闭，退出关键区时恢复进入关键区前的中断状态；第三种方法的思想与第二种一致，只是需要在使用进出关键区的函数中定义一个OS_CPU_SR类型的变量cpu_sr，用于保存进入临界区前的中断状态。我们这里选择第三种方法。【更详细版：第三种方法（即使用 BASEPRI 寄存器）BASEPRI 寄存器：ARM Cortex-M 系列处理器提供了一个名为 BASEPRI 的寄存器，用于设置中断优先级屏蔽。通过设置 BASEPRI 寄存器，可以屏蔽所有优先级低于某个值的中断。使用 BASEPRI 寄存器可以灵活地控制中断的屏蔽级别，而不是简单地关闭所有中断。这在多任务操作系统中尤为重要，因为不同的任务可能需要不同的中断优先级。】

#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()

这一行代码定义了任务切换函数。使用宏定义函数的优点是，可以在不同的CPU架构之间共享代码，同时确保在必要时可以针对特定的架构进行优化。

#define OS_STK_GROWTH 1u

这一行代码定义了堆栈增长的方式，1为从高到底到低增长，0为从低到高增长。基于Cortex-M 内核的堆栈是 向下增长的满栈，即堆栈从高地址向低地址增长

void OS_CPU_IRQ_ISR(void);

这一行代码声明了IRQ中断的入口函数。

void OSCtxSw(void);

这一行代码声明了任务切换函数。

void OSIntCtxSw(void);

这一行代码声明了中断执行时的任务切换函数。

void OSStartHighRdy(void);

这一行代码声明启动当前最高优先级的任务，由OSStart()调用。

下面是os.cpu.h的代码：

错误类型3：os_cfg.h中缺少相应的定义。

os_cfg.h是uC/OS II的配置文件，通过配置该文件，可以表示μC/OS哪些功能可用，哪些功能不可用。

解决方法：在os_cfg.h中加上相关的定义。

tips:在后续的学习中，可以把相关的功能给禁用，注意部分参数的取值范围，若设定的参数不在范围内则会报错。

#define OS_TMR_EN 0u /* Enable (1) or Disable (0) code generation for TIMERS */

将 OS_TMR_EN 设置为 0u 会使 uC/OS-II 禁用定时器功能的代码生成。STM32F401具有多个定时器Timer，可以满足定时中断、PWM输出、输入捕获、输出比较等功能。也可以使用Systick（SysTick 是 Cortex-M 内核中的一个系统定时器，属于内核的一部分）

#define OS_DEBUG_EN 0u /* Enable(1) debug variables */

错误类型4：缺少启动文件导致链接失败

Reset_Handler 是程序的入口点，通常在启动文件（如 startup_stm32f4xx.s 或 startup_xxx.s）中定义。

__Vectors 是中断向量表的定义，通常也在启动文件中定义。

解决方法：新建一个Start文件夹，在Start文件夹中导入启动文件startup_stm32f40_41xxx.s

错误类型5：链接时重复定义

ucos_ii.o 和 os_core.o：这两个是编译生成的对象文件（.o 文件）。，那我们以这个报错为例： .\Objects\projects.axf: Error: L6200E: Symbol OSEventNameGet multiply defined (by ucos_ii.o and os_core.o).所以我们使用ctrl+f对这个变量进行寻找：

可以看见：OSEventNameGet在整个工程中出现了两次，分别在ucos_ii.h(797)和os_core.c(117)跳转，可见这两处的函数定义是一样的。

链接使得分离编译（separate compilation）成为可能，我们不用将一个大型的应用程序组织成一个巨大的源文件，而是可以把它分解成为更小、更好管理的模块，可以独立的修改和编译这些模块。当我们改变这些模块中的一个时，只需要简单的重新编译它，并重新链接应用，而不必重新编译其他文件。

解决方案：

选择性编译，将其他.c文件不包含在最终的项目中，只将ucos_ii.c\ucos_iih,进行编译

新建文件夹：Core，将ucos_ii.c\ucos_iih，加入Core，并且删除Source里面的这两个文件，并且将Core路径加入c/c++ 以及Asm path里面。

错误类型6：os_cpu_.c中hook函数

找不到指定函数导致链接错误,因为函数的声明和定义的语法规则区别很大，编译器可以很轻松地区分什么是声明，什么是定义。如果分别编译单个文件时，只有声明没有定义，编译器暂时不会报错，会尝试在链接时去其他文件中找相应的函数定义，但是如果链接时还没有找到函数体，编译器就会报错。

所以我们需要新建一个os_cpu_c.c文件和一个os_cpu_a.s文件，在其中补充缺少的函数实现，目前我们不需要补全具体的函数实现细节，只需要写一个空定义来骗过编译器。

在os_cpu_c.c文件中，我们定义空的系统初始化函数、钩子函数、cpu异常栈基地址和这是内核可用的优先级边界。

钩子函数：钩子函数为用户提供了一个扩展点，使得用户无需修改操作系统的内核代码而实现具体应用的要求。

这几个钩子函数的具体作用：

堆栈初始化函数：

cpu异常栈：CPU异常栈 是用于处理 CPU 异常（如中断、异常等）时的栈空间。当 CPU 发生异常时，会自动将一些寄存器的值压入异常栈中，以便在异常处理完成后能够正确恢复现场。

在后续的操作中我们会定义异常栈的大小，异常栈的基地址。

内核优先级边界：

内核优先级边界 是指在多任务操作系统中，内核任务和用户任务之间的优先级边界。内核任务通常具有较高的优先级，以确保系统的稳定性和实时性。用户任务的优先级通常较低，以避免干扰内核任务的执行。

在 STM32F401 微控制器中，内核优先级边界可以通过配置中断优先级寄存器来实现。例如，可以设置内核任务的优先级为 0，用户任务的优先级为 1 或更高。这样可以确保内核任务在发生中断时能够优先执行，而用户任务则在内核任务完成后执行。

错误类型7：os_cpu_a.s汇编语言实现函数

在os_cpu_a.s文件中，实现的是与处理器相关的函数,这一部分的函数涉及CPU 特权寄存器的访问、寄存器状态的保存与恢复，以及任务上下文切换。这些操作需要对CPU 体系结构和指令集进行精确控制，而高级语言（如 C）无法不提供直接读写特定硬件寄存器（如中断寄存器PRIMASK、堆栈PSP,任务控制块TCB）的机制，也难以确保任务切换的精确性和高效性。

因此，使用汇编语言，能够直接访问和精确管理寄存器，避免编译器优化带来的不可预测行为，确保RTOS的任务调度和中断管理能够高效且正确地执行，且具有移植性强的特性。

💡

1.AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2

AREA：这是一个伪指令，用于定义一个新的代码段或数据段。它告诉汇编器一个新的区域（AREA）开始。

|.text|：这是代码段的名称。| .text | 是一个通用的名称，用来表示存放程序可执行代码的部分。

CODE：这是一个属性，表示该区域将包含代码（指令），而不是数据。

READONLY：表示该代码段中的内容是只读的，在程序运行过程中不能被修改。

ALIGN=2：这是一个对齐要求，表示该代码段的起始地址必须 2 的幂次对齐（如 2 字节对齐，即地址是 2 的倍数）。

2. THUMB

THUMB 是一个指令集，通常用于 ARM 架构的处理器。它是一个压缩的指令集，使用更少的字节来表示指令，与标准的 ARM 指令集相比，可以节省代码空间，但可能会以性能为代价。

3. REQUIRE8 和 PRESERVE8

REQUIRE8：这可能是一个指令或编译器选项，表示程序需要 8 字节对齐的指针操作。它确保代码中的某些操作在 8 字节对齐的内存地址上执行，这在某些场景下可以提高性能或满足硬件要求。

PRESERVE8：这可能是一个指令或编译器选项，用于在代码优化过程中保持 8 字节对齐的规则。例如，当编译器进行代码优化时，它会确保指针仍然保持 8 字节对齐，以避免潜在的硬件或兼容性问题。

MRS 指令将系统寄存器 PRIMASK 的值读取到通用寄存器 R0

SR PRIMASK, R0：

MSR 指令将通用寄存器 R0 的值写回系统寄存器 PRIMASK。

💡

. OS_CPU_SR_Save 和 OS_CPU_SR_Restore

作用：

OS_CPU_SR_Save：保存当前的中断状态，并关闭中断。

OS_CPU_SR_Restore：恢复之前的中断状态。

. OSCtxSw 和 OSIntCtxSw

作用：

OSCtxSw：任务级上下文切换函数，用于在任务之间进行上下文切换。

OSIntCtxSw：中断级上下文切换函数，用于在中断服务例程（ISR）中进行上下文切换。

OSStartHighRdy

作用：

OSStartHighRdy：启动最高优先级任务，将控制权交给就绪状态中优先级最高的任务。

PendSV_Handler

作用：

PendSV_Handler：处理 PendSV 中断，用于任务切换和调度。

错误类型8：缺少main函数

.\Objects\test.axf: Error: L6218E: Undefined symbol main (referred from __rtentry2.o).

我们新建一个User文件夹，里面新建一个main.c文件来存放main函数入口。

创建任务的流程

1.调用OSInit() ：初始化μC/OS-II的内核，设置系统就绪状态，为任务调度做准备,无返回值。

2.配置任务栈：为每个任务分配一个栈空间，用于存储任务运行时的上下文信息。

OS_STK my_task_0[MY_TASK_SIZE_0];

其中MY_TASK_SIZE_0是一个宏定义，表示任务栈的大小

3.OSTaskCreateExt()：任务创建的核心函数，用于创建一个任务并设置其属性。

函数原型

以任务0为例说明各参数含义

(void)OSTaskCreateExt(my_task_0_t_, (void *)0, &my_task_0[MY_TASK_SIZE_0 - 1u], 12,1,my_task_0,sizeof(my_task_0),NULL,0,"LED_OFF");

task任务函数：表示指向任务函数my_task_0_t_的指针。

p_arg任务参数：传递给任务函数的参数。任务开始执行时，这个参数将被传递给任务函数。设置为NULL，表示任务不需要额外参数。

ptos栈顶地址：&my_task_0[MY_TASK_SIZE_0 - 1u]，栈顶指针，指向任务栈的顶部。在 μC/OS-II 中，栈是向下增长的，所以这个指针实际上是栈的最高地址。

prio优先级：12，表示任务优先级较低（数字越小，优先级越高）。

id选项：1，任务的唯一标识符，通常用于调试和跟踪。

pbos栈底地址：my_task_0，栈数组的起始地址，栈底指针，指向任务栈的底部，存放栈数组的起始地址。

stk_size栈大小：sizeof(my_task_0)，栈数组的大小。

pext扩展数据地址：NULL，无扩展数据。该参数表示指向任务扩展数据的指针。任务扩展数据用于存储任务特定的信息，如事件标志组、互斥信号量等。

opt扩展数据大小：0，表示无任务特定选项。这个参数是任务栈初始化选项。这个参数通常用于指定栈的对齐方式或其他与栈初始化相关的选项。在大多数情况下，这个值设置为 0。

name任务名称："LED_OFF"，表示任务的功能是关闭 LED。

4.OSStart():启动操作系统，开始调度任务。

以后可能需要用到的其他函数

在μC/OS-II实时操作系统中，信号量（Semaphore）和内存管理是多任务同步和数据交换的重要机制。

OSSemCreate():此函数用于创建一个信号量。

参数：

信号量是一个非负整数计数器，用于表示可用资源的数量。它通常用于以下两种场景：

互斥访问（Mutex）：用于确保同一时间只有一个线程或进程可以访问某个共享资源。

同步访问（Counting Semaphore）：用于控制多个线程或进程对多个相同资源的访问。

cnt：信号量的初始计数。这个值决定了信号量的初始状态。

1 表示信号量一开始是“可用”的，任何任务都可以立即获得这个信号量。

0 表示信号量一开始是“不可用”的，需要其他任务释放信号量后才能被获取。

验证工程搭建

Idea1：调用函数

eg：OSTimeDly(1000 * 2);

预期结果：编译通过且不报错，说明工程搭建成功。

Idea2：点亮小灯

由于任务创建点亮小灯需要例如创建tcb，堆栈大小优先级，队列，延时等知识，在后续的学习中我们才会学到。但我们仍想通过点亮小灯来验证工程搭建成功。

因此我们的思路是：

写一个led.c，通过上面我们提到的钩子函数调用led.c，再在main.c里面调用钩子函数，从而达到通过点亮小灯验证工程搭建是否成功。由于时间关系，我们直接来看我们写好的点灯程序。

这里我们需要注意的是我们需要注释掉我们自己在cpu_czh中写的空的SystemInt（）函数，因为在f401已经含有初始化系统的函数。

预期结果：编译通过且不报错，板载小灯L2闪烁，说明工程搭建成功。