基于STM32的嵌入式操作系统程序设计及实现毕业论文范本模板.docx
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基于STM32的嵌入式操作系统程序设计及实现毕业论文范本模板
本科毕业论文（设计）
论文题目
：
基于STM32的嵌入式操作系统
程序设计及实现
姓名
：
郝宇
学号
：
0930********
班级
：
01班
年级
:
2009级
专业
：
电子信息工程
学院
:
信息工程学院
指导教师
:
丁光哲讲师
完成时间
：
2013年5月20日
作者声明
本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为.对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。
毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有.
特此声明
作者专业
：
电子信息工程
作者学号
：
093001020144
作者签名
：
年月日
基于STM32的嵌入式操作系统
程序设计及实现
郝宇
TheDesignandImplementationofembeddedoperatingsystemprogrambasedonSTM32
Hao,Yu
2013年5月20日
摘要
随着科学技术不断的进步，工业生产越来越先进复杂，操作系统µC/OS—II是高效、稳定、可靠、节能的系统，广泛应用安防,消费电子中.而基于Cortex—M3架构下的STM32是一款性价比优越新型微处理器，将µC/OS—II移植到STM32上能够发挥其高效的性能，从而投入社会生产，制造出很多有用又实惠的电子产品，为我们的生活带来便利。
本文主要的研究内容是µC/OS—II操作系统理论分析、移植方法、应用程序设计及调试仿真实现。
首先,对µC/OS—II的理论分析，研究其实际应用及系统结构;其次，分析STM32硬件平台及µC/OS-II的移植需求；最后,在µC/OS—II上开发LCD，LED，按键KEY等应用程序,并对多任务系统调试分析.主要研究结论如下：
（1）µC/OS—II操作系统主要分为任务管理、内存管理和时间管理三大部分,其间通信是通过消息队列和消邮箱。
（2）µC/OS—II移植主要在OS_CPU.H，OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.ASM三个文件中,涉及到数据类型、堆栈、中断定义和任务切换等。
（3）应用程序设计优先级分配要合理，硬件平台初始化模块化处理。
关键词：
嵌入式系统；µC/OS-II；移植
Abstract
Withtheprogressofscienceandtechnologyconstantly，advancedindustrialproductiontomorecomplex,theoperatingsystemµC/OS—IIisefficient,stable，reliable，energysavingsystem，widelyusedinthesecurity，andconsumerelectronics.AndbasedontheSTM32architectureCortex—M3frameworkisasuperiorcost-effectivenewmicroprocessor，µC/OS—IItransplantationtoSTM32canplayitsefficientperformance,thusinsocialproductionandcreatealotofusefulandaffordableelectronicproduct，bringconveniencetoourlives.
ThisarticlemainresearchcontentisµC/OS-IIoperatingsystemtheoryanalysis,methodoftransplantation,applicationdesignanddebuggingofthesimulationimplementation。
Firstofall，thetheoreticalanalysisofµC/OS-II，researchtheactualapplicationandsystemstructure;Second，analysisofSTM32hardwareplatformandthedemandµC/OS-IItransplantation.Finally，ontheµC/OS—IIdevelopmentofLCD,LED,buttonKEYapplications,andanalysisofmultitaskingsystemdebugging。
Mainresearchconclusionisasfollows:
（1）µC/OS—IIoperatingsystemconsistsofthreemajortaskmanagement，memorymanagementandtimemanagement,inwhichcommunicationisthroughthemessagequeueandemail。
（2）µC/OS-IItransplantationmainlyinOS_CPU_C。
C，OS_CPU_A。
ASMfile,OS_CPU。
H，threeinvolvesthedatatypedefinitionandtaskswitchingetc,stack，interrupt.
（3）Theapplicationdesigntotheallocationofpriorities，initializethemodularprocessinghardwareplatform。
Keywords：
embeddedsystem;µC/OS—II;transplant
1概述
1.1研究的目的及意义
µC/OS-II是由美国工程师JeanLabrosse编写的嵌入式多任务的实时操作系统,包括实时内核、任务管理、时钟管理、任务间通信同步（信号量、邮箱、消息队列）和内存管理.除了有上面的优点外，µC/OS-II它具有别的操作系统没有的优点，具体如下：
（1）源代码开放:
µC/OS—II的源代码可以免费获取，且标有清晰的注释，可读性好。
（2）可移植性好：
µC/OS-II的源代码90％以上是用C语言编写的，可以很容易地把它移植到各类8位、16位和32位处理器上.
（3）稳定性高：
µC/OS-II已得到FAA的标准认证,且目前已有上百个商业应用实例,其稳定性和可靠性是经过实践验证的。
因此，µC/OS—II广泛的应用于控制系统中，如在衍射仪高压控制系统中使用µC/OS—II操作系统是一种很好的选择。
控制系统是一个复杂的系统，它需要多个系统协同工作。
传统的系统开发我们往往使用前后台的方式，但是这种开发方式在任务较简单的开发中比较适用,对于任务比较复杂的系统往往力不从心。
对于任务较多而且复杂的情况我们就要引入实时操作系统RTOS。
RTOS体现了一种新的应用程序设计思想和开放的框架，用户在编写程序时，可以分别编写各个任务,不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作量，而且减小了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性，从而降低程序的复杂度和开发周期.由于控制系统功能较复杂，诸多的功能可以划分成许多不同的模块，模块之间既彼此联系又相对独立，可以当作不同的任务来进行处理。
所以,使用实时操作系统，将不同的功能划分成不同的任务进行处理使得设计大大简化。
1。
2国内外研究状况综述
嵌入式系统是继IT网络技术之后,又一个新的技术发展方向。
中国单片机二十年论坛总结出，我国嵌入式起步较早,但总体来说发展缓慢,和国外的开发应用具有很大的差距，造成这一局面的原因是多方面的。
在国内嵌入式系统开发方面，多是一些低层次的应用，停留在以前老的技术基础之上。
例如,经典51系列单片机在上世纪我国的工业信息化改造过程中发挥了重要的作用，渗透到生产生活的各个方面。
与此同时在大学电类相关的工科单片机教学中，依然是经典的51，微机原理依然是8086/88，这显然体现不了最新的技术特征，造成了大学教育与实际社会需要的脱节。
国外的大部分高校和国内的极少数大学相继开设嵌入式微处理器设计等相关的前沿性的课程，可见基于STM32技术将是未来微控制开发的主流方向。
由于µC/OS—II系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征,目前已经被广泛的应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。
今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,1997年来自美国嵌入式系统大会（EmbeddedSystemConference）的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品,就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场.美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力'已超过了IBM"，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。
1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上,基于RTOS的EmbeddedInternet成为一个技术新热点。
在国内,“维纳斯计划”和“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬,机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用.据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统,而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。
在国内,虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。
由此可见,嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。
1.3研究的主要内容
本文是在基于32位的ARM微处理器STM32和嵌入式实时操作系统µC/OS—II上进行嵌入式操作系统的移植和功能实现。
通过将嵌入式实时操作系统µC/OS-II移植到STM32微处理器上，并对其进行软件功能的扩展和硬件扩展，实现了一个基本完整的嵌入式实时操作系统。
建立了基于嵌入式ARM处理器的应用软件体系;将µC/OS—II移植到STM32，建立了嵌入式操作系统研究及µC/OS—II下的开发环境体系。
包括µC/OS—II系统配置、µC/OS-II下的移植、启动、测试和功能实现等.完成了基于STM32的µC/OS-II的应用设计。
本文主要分为4章，章节安排如下:
（1）绪论。
主要介绍了开题的背景和研究意义，以及µC/OS-II的国内外研究现状。
（2）µC/OS—II的理论介绍。
主要介绍µC/OS—II各模块的基本功能和在STM32上移植方法。
（3）硬件平台介绍及LCD屏程序设计及调试.多任务的建立并实现基本功能。
（4）结语。
主要介绍本论文中的优点和不足之处.
2µC/OS-II的理论介绍
2。
1µC/OS—II各模块的基本功能
2.1。
1µC/OS—II内核结构
（1）µC/OS-II是以源代码形式提供的实时操作系统内核，其包含的文件结构如图2。
1所示：
基于µC/OS—II操作系统进行应用时,设计时的主要任务是将系统合理划分成多个任务，并由RTOS进行调度，任务之间使用µC/OS-II提供的系统服务进行通信,以配合实现应用系统的功能。
与前后台系统一样，基于µC/OS-II的多任务系统也有一个main主函数，main函数由编译器所带的C启动程序调用.在main主函数中主要实现µC/OS-II的初始化OSInit（）、任务创建、一些任务通信方法的创建、µC/OS-II的多任务启动OSStart（）等常规操作.另外，还有一些应用程序相关的初始化操作，例如:
硬件初始化、数据结构初始化等.
（2）OSInit（）初始化µC/OS-II所有的变量和数据结构，并建立空闲任务OS_TaskIdle（）,这个任务总是处于就绪态。
2.1。
2µC/OS—II内核体系结构图
µC/OS—II内核主要对用户任务进行调度和管理，并为任务间共享资源提供服务。
包含的模块有任务管理、任务调度、任务间通信、时间管理、内核初始化等。
µC/OS-II内核体系结构如图2.2所示：
图2.2内核结构图
2.1.3任务状态及其转换关系
在多任务系统中，任务是设计者实现应用系统的基本形式,也是µC/OS—II系统进行调度的基本单元.任务可以是一个无限的循环，也可以在一次执行后被操作系统删除.任务函数和任何C函数一样，具有一个返回类型和一个参数，但是它决不返回。
任务控制块（TCB）是一个数据结构OS_TCB,一旦一个任务创建，就有一个和它关联的TCB被赋值.当任务的CPU使用权被剥夺时，它用来保存该任务的状态。
这样,当任务重新获得CPU使用权时，可以从TCB中获取任务切换前的信息，准确的继续运行.
2.1.4任务调度器
µC/OS—II总是运行进入就绪态的优先级最高的任务。
任务调度器的功能是：
在就绪表中查找最高优先级的任务，然后进行必要的任务切换，运行该任务。
µC/OS—II的任务调度有两种情况：
任务级的任务调度由OS_Sched（）完成；中断级的任务调度由OSIntExt（）完成。
这两种任务调度情况调用的任务切换函数不同:
任务级的任务调度OS_Sched（）调用了任务切换函数OS_TASK_SW（），而中断级的调度OSIntExt（）调用了任务切换函数OSIntCtxSw（）.
任务级的任务调度是由于有更高优先级的任务进入就绪态,当前的任务的CPU使用权被剥夺，发生了任务到任务的切换;中断级的调度是指当前运行的任务被中断打断，由于ISR运行过程中有更高优先级的任务被激活进入就绪态.而中断返回前ISR调用OSIntExt（）函数，该函数查找就绪表发现有必要进行任务切换，从而被中断的任务进入等待状态，运行被激活的高优先级的任务。
（1）任务切换
任务切换有两种：
OS_TASK_SW（）和OSIntCtxSw（）。
任务级的任务切换OS_TASK_SW（）是宏调用,通过软中断指令来实现CPU寄存器内容切换.例如：
＃defineOS_TASK_SW（）asm（“int#32”）。
任务级的任务切换过程:
保存当前运行的任务的CPU寄存器值到该任务的堆栈。
如：
堆栈指针，程序计数器，状态寄存器等。
将要运行的高优先级的任务的寄存器值从堆栈恢复到CPU寄存器。
进行TCB的切换，并运行任务。
中断级的任务切换OSIntCtxSw（）是在OSIntExt（）中调用的，我们一般在用户ISR中调用OSIntExt（）以实现中断返回前的任务调度.由于ISR已经将CPU寄存器的值存入被中断的任务的堆栈中，所以OSIntCtxSw（）的实现和OS_TASK_SW（）不一样，具体参见移植文档。
（2）就绪表
每个就绪的任务都放在就绪表中，就绪表有两个变量：
OSRdyGrp和OSRdyTbl［]。
OSRdyGrp中，将任务按优先级分组，八个为一组。
OSRdyGrp的每一位代表每组任务是否有进入就绪态的任务.
在就绪表中查找优先级最高的任务不需要扫描整个OSRdyTbl［］，只要查优先级判定表OSUnMapTbl［]。
OSUnMapTbl［］是常量表，所以查找优先级最高的任务的执行时间为常量，和就绪表的任务数无关。
2.1。
5中断服务
在用户的ISR中可以调用OSIntEnter（）和OSIntExit（）通知µC/OS—II发生了中断，这样可以实现ISR返回前的任务调度。
2。
1。
6时钟节拍
µC/OS—II要求用户提供一个周期性的时钟源，来实现时间的延迟和超时功能，时钟节拍应该每秒发生10~100次/秒。
时钟节拍率越高，系统的额外负荷就越重。
应该在多任务系统启动后，也就是调用OSStart（）后再开启时钟节拍器。
系统设计者可以在第1个开始运行的任务中调用时钟节拍启动函数.假设用定时器TA0作为时钟中断源，那么，在移植过程中实现了函数init_timer_ta0（），此函数用来初始化定时器TA0，并将其打开.µC/OS-II中的时钟节拍服务是在ISR中调用OSTimeTick（）实现的.OSTimeTick（）跟踪所有任务的定时器以及超时时限。
2.1.7µC/OS-II的初始化和启动
调用µC/OS—II的服务之前要先调用系统初始化函数OSInit（）.OSInit（）初始化µC/OS—II所有的变量和数据结构，并建立空闲任务。
µC/OS—II初始化任务控制块、事件控制块、消息队列缓冲、标志控制块等数据结构的空缓冲区。
多任务的启动是通过调用OSStart（）实现的。
启动之前要至少创建一个任务。
OSStart（）调用就绪任务启动函数OSStartHighRdy（）,其功能是将任务栈的值恢复到CPU寄存器,并执行中断返回指令，强制执行该任务代码。
2.1。
8内存管理
在ANSIC中是使用malloc和free两个函数来动态分配和释放内存。
但在嵌入式实时系统中，多次这样的操作会导致内存碎片，且由于内存管理算法的原因,malloc和free的执行时间也是不确定.µC/OS—II中把连续的大块内存按分区管理。
每个分区中包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间的内存块大小可以不同。
用户需要动态分配内存时，系统选择一个适当的分区，按块来分配内存。
释放内存时将该块放回它以前所属的分区,这样能有效解决碎片问题，同时执行时间也是固定的.
2.1。
9任务管理
µC/OS-II中最多可以支持64个任务，分别对应优先级0～63，其中0为最高优先级。
63为最低级，系统保留了4个最高优先级的任务和4个最低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数有56个.µC/OS-II提供了任务管理的各种函数调用，包括创建任务，删除任务,改变任务的优先级,任务挂起和恢复等。
系统初始化时会自动产生两个任务：
一个是空闲任务，它的优先级最低,该任务仅给一个整型变量做累加运算；另一个是统计任务,它的优先级为次低，该任务负责统计当前CPU的利用率.
2.1.10µC/OS—II任务间通信方式
（1）信号量
信号量由两部分组成:
一部分是16位的无符号整型信号量的计数值；另一部分是由等待该信号量的任务组成的等待任务表.信号量用于对共享资源的访问,用钥匙符号,符号旁数字代表可用资源数,对于二值信号量该值为1。
信号量还可用于表示某事件的发生，用旗帜符号表示，符号旁数字代表事件已经发生的次数。
互斥型信号量用于处理共享资源.
（2）消息邮箱
一种通信机制，可以使一个任务或者中断服务子程序向另一个任务发送一个指针型的变量,通常该指针指向一个包含了消息的特定数据结构。
（3）消息队列
另一种通信机制，允许一个任务或者中断服务子程序向另一个任务发送以指针方式定义的变量或其它任务，因具体应用不同，每个指针指向的包含了消息的数据结构的变量类型也有所不同.
2.2STM32上移植方法
2.2.1平台需求
µC/OS-II的正常运行需要处理器平台满足以下要求:
（1）处理器的C编译器能产生可重入代码。
（2）用C语言就可以打开和关闭中断。
（3）处理器支持中断,并且能产生定时中断（通常在10至100Hz之间）。
（4）处理器支持能够容纳一定量数据（可能是几千字节）的硬件堆栈。
（5）处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。
2.2.2移植方法
（1）内核头文件（OS_CPU。
H）
在OS_CPU.H中，主要声明了一些与微处理器相关的常量、宏和typedef。
定义与处理器无关的数据类型
typedefunsignedcharBOOLEAN；
typedefunsignedcharINT8U;
typedefsignedcharNT8S；
typedefunsignedshortINT16U；
typedefsignedshortINT16S；
typedefunsignedintINT32U;
typedefsignedintNT32S；
typedeffloatFP32;
typedefdoubleFP64;
typedefunsignedintOS_STK；
typedefunsignedintOS_CPU_SR；
在STM32处理器及keilMDK或者IAR编译环境中可以通过查手册得知short类型是16位而int类型是32位，这对于Cortex-M3内核是一致的。
故这部分代码无需修改。
尽管µC/OS—II定义了float类型和double类型,但为了方便移植它们在µC/OS-II源代码中并未使用。
为了方便使用堆栈，µC/OS—II定义了一个堆栈数据类型。
在Cortex—M3中寄存器为32位，故定义堆栈的长度也为32位.Cortex-M3状态寄存器为32位，定义OS_CPU_SR主要是为了在进出临界代码段保存状态寄存器。
（2）临界代码段
µC/OS-II为了保证某段代码的完整执行，需要临时的关闭中断,在这
段代码执行完成之后再打开中断.这样的代码段称作临界代码段。
µC/OS—II通过定义两个宏OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）来分别实现中断的关闭和打开。
一般来说，采用方法3来实现这两个宏.这两个宏分别定义如下:
＃defineOS_CRITICAL_METHOD3
#defineOS_ENTER_CRITICAL（）｛cpu_sr=OS_CPU_SR_Save（）;}
#defineOS_EXIT_CRITICAL（）｛OS_CPU_SR_Restore（cpu_sr）；｝
函数OS_CPU_SR_Save（）和OS_CPU_SR_Restore（cpu_sr）在OS_CPU_A。
ASM中定义。
同时得注意，在使用这两个宏之前，必须定义OS_CPU_SRcpu_sr;否则编译时将出错。
（3）栈的增长方向
尽管µC/OS-II支持两种方向生长的栈,但对于以Cortex—M3为内核的STM32微处理器来说,它支持向下增长的满栈，故需要定义栈增长方向宏为1。
即定义成如下形式
#defineOS_STK_GROWTH1
（4）任务级任务切换
任务级任务切换调用宏OS_TASK_SW（）来实现。
因为这个宏也是与处理器相关的，因此这个宏在OS_CPU_A。
ASM中描述。
（5）其他函数声明
在OS_CPU.H中,还声明了以下几个函数，这几个函数均在OS_CPU_A.ASM中实现。
voidOSCtxSw（void）;
voidOSIntCtxSw（void）；
voidOSStartHighRdy（void）；
voidOS_CPU_PendSVHandler（void）;
（6）与处理器相关的汇编代码（OS_CPU_A。
ASM）
在OS_CPU_A.ASM中实现的是下面五个与处理器相关的函数。
OS_CPU_SR_Save（）;
OS_CPU_SR_Restore（）;
OSStartHighRdy（）；
OSCtxS
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