基于STM32的多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙宇科，高紅亮，胡惠敏，李小玲

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

當(dāng)今的單片機種類繁多，發(fā)展頗為迅速。而傳統(tǒng)的單片機雖然功能完備，但效率偏低，不適用于多任務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)。多任務(wù)系統(tǒng)較單任務(wù)系統(tǒng)而言，宏觀上可同時執(zhí)行多個任務(wù)，但微觀上CPU在一段時間內(nèi)只處理一個任務(wù)[1]。目前，多任務(wù)處理機制已經(jīng)成為微控制器的一個基本功能需求。為研究多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計，需要選用一款操作簡單、性能強大的微控制器。STM32是當(dāng)今主流的微控制器之一，其運行效率高且能耗較低，故本系統(tǒng)基于STM32進行分析和設(shè)計[2]。多任務(wù)系統(tǒng)可以給用戶良好的體驗感，在一定程度上滿足用戶的需求，故基于STM32實現(xiàn)多任務(wù)機制有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在STM32上移植μC/OS-II操作系統(tǒng)后，用戶可以在STM32上進行多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。μC/OS-II作為應(yīng)用軟件運行的平臺，用于調(diào)度各個任務(wù)和協(xié)調(diào)任務(wù)之間的通信[3]。本系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括建立項目工程模板、配置LED和按鍵的GPIO、移植μC/OS-II、編寫項目代碼。

本系統(tǒng)使用Keil μVision 5作為編程軟件建立工程模板。建立項目時需要注意一些細節(jié)。例如，計算機硬件的物理層面和Keil軟件的邏輯層面應(yīng)同時建立對應(yīng)的文件和正確的文件目錄；文件路徑的正確性；程序的簡潔性。

GPIO是最基本的一類I/O，其每個I/O端口可并行傳輸數(shù)據(jù)。STM32數(shù)據(jù)手冊中包含了每個I/O特性的詳細說明，據(jù)此，可使用Keil5將GPIO配置為多種功能模式。使用GPIO_Configuration函數(shù)可以配置GPIO，其中定義結(jié)構(gòu)體變量用以描述GPIO的功能。

μC/OS-II操作系統(tǒng)占用空間小，但性能強大?；谶@樣的系統(tǒng)，開發(fā)人員將屏蔽硬件底層代碼，用高級程序設(shè)計語言編寫代碼，從而提高開發(fā)效率。μC/OS-II可按某種策略合理地切換各個任務(wù)，使CPU在執(zhí)行多個任務(wù)時效率更高。μC/OS-II根據(jù)用戶編寫的程序?qū)θ蝿?wù)進行調(diào)度，改變?nèi)蝿?wù)的狀態(tài)。多任務(wù)的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。

圖1 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2 實例系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)由C語言程序編寫，設(shè)計3個LED任務(wù)，以3個LED的閃爍狀態(tài)來模擬多任務(wù)的管理。其中1號、2號LED用于系統(tǒng)的驗證，3號LED作為對照。系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果通過LED能直觀表現(xiàn)，即LED的狀態(tài)間接反映任務(wù)的狀態(tài)，包括任務(wù)的創(chuàng)建、掛起、刪除和恢復(fù)[4]。同時，設(shè)計KEY任務(wù)，使STM32開發(fā)板上的按鍵與這些狀態(tài)分別對應(yīng)。

2.1 建立項目工程

STM庫函數(shù)功能齊全，內(nèi)容豐富，需要在建立項目工程時引入庫函數(shù)文件。這些文件使程序的設(shè)計更加便捷，只需編寫USER文件夾中的main.c文件即可。其中，main.c的部分代碼如下：

Delay_Init ();

RCC_Configuration();

程序運行時，主函數(shù)執(zhí)行Delay_Init函數(shù)。在移植了μC/OS-II的前提下，該函數(shù)會初始化μC/OS-II的時鐘節(jié)拍，一般設(shè)置為系統(tǒng)時鐘的1/8.RCC_Configuration函數(shù)初始化系統(tǒng)時鐘。

2.2 配置GPIO和移植μC/OS-II

在工程模板的基礎(chǔ)上直接編寫程序，配置GPIO.為了提高微處理器的執(zhí)行效率，不在未使用的端口上配置時鐘。在庫文件中添加.c文件后，要在STM32的配置文件中聲明對應(yīng)的.h文件。配置時要注意，在初始化GPIO時，先聲明GPIO結(jié)構(gòu)體變量，再使能I/O端口時鐘，最后配置端口方向和時鐘頻率[5]。

μC/OS-II的系統(tǒng)文件要保證其正確性和完整性，成功移植μC/OS-II的關(guān)鍵在于項目文件[6,7]。在物理層面導(dǎo)入μC/OS-II的系統(tǒng)文件后，需要在工程項目中新加入三個組，分別為uCOS-II/CONFIG、uCOS-II/PORT、uCOS-II/CORE.每組加入指定的文件并設(shè)置文件路徑，最后加入中斷文件。Keil 5中項目新建組的邏輯層面文件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新建組的邏輯層面文件結(jié)構(gòu)

2.3 設(shè)計多任務(wù)程序

設(shè)計μC/OS-II多任務(wù)程序的三個關(guān)鍵操作包括：給定任務(wù)的優(yōu)先級別、設(shè)置任務(wù)的堆棧大小和創(chuàng)建任務(wù)的堆?？臻g。在設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級別和堆棧時，均使用#define定義一個標識符來表示常量。這樣定義的常量不會占用資源，它只是一個標識，用于標記優(yōu)先級高低和堆棧大小。μC/OS-II可供使用的優(yōu)先級別有62個，即優(yōu)先級從高到低排序有0至61.

主函數(shù)的程序流程圖如圖3所示。其開始部分初始化延遲函數(shù)和系統(tǒng)時鐘，并配置LED和按鍵的GPIO.LED的GPIO函數(shù)聲明結(jié)構(gòu)體變量，配置管腳和傳輸速度。按鍵的GPIO函數(shù)與之類似[8]。此外，定義LED的GPIO模式為推挽輸出，按鍵的GPIO模式為上拉輸入。OSInit函數(shù)初始化μC/OS-II，OSTaskCreate函數(shù)聲明指向任務(wù)代碼的指針和分配給任務(wù)堆棧的棧頂指針，隨后分配該任務(wù)的優(yōu)先級。編程時，OSTaskCreate函數(shù)參數(shù)列表中的start_task用于創(chuàng)建三個LED任務(wù)和KEY任務(wù)。主函數(shù)在最后調(diào)用OSStart函數(shù)啟動操作系統(tǒng)。OSTaskCreate函數(shù)的參數(shù)列表如下：

OSTaskCreate(start_task, (void *)0,

(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],

START_TASK_PRIO);

start_task函數(shù)初始化統(tǒng)計任務(wù)，并標記任務(wù)進入臨界區(qū)。進入臨界區(qū)的任務(wù)只有在退出臨界區(qū)后才可以被中斷打斷。使用start_task函數(shù)創(chuàng)建KEY任務(wù)和每個LED任務(wù)時，與上文類似，也需要OSTaskCreate函數(shù)聲明任務(wù)代碼指針和任務(wù)堆棧的棧頂指針，并指定優(yōu)先級別。這里假定任務(wù)的優(yōu)先級均相同。start_task函數(shù)的程序流程圖如圖4所示。

圖3 主函數(shù)程序流程圖

定義STM32開發(fā)板上的按鍵分別為復(fù)位鍵、刪除鍵、掛起鍵和恢復(fù)鍵。新建一個表示按鍵的key.c文件，在文件中定義KEY任務(wù)函數(shù)key_task，其中對每個按鍵均編寫條件判斷語句。例如，若停止1號LED的閃爍，則要掛起LED1任務(wù)，執(zhí)行的條件判斷代碼如下：

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_5)==Bit_RESET){

OSTaskSuspend(LED1_TASK_PRIO); }

OSTaskSuspend 函數(shù)將無條件掛起LED1任務(wù)，其參數(shù)列表為被掛起任務(wù)的優(yōu)先級。LED1任務(wù)被掛起后，系統(tǒng)將重新對任務(wù)進行調(diào)度，CPU優(yōu)先運行下一個優(yōu)先級別最高的任務(wù)。這里要注意，當(dāng)LED1任務(wù)被掛起時，只有其他任務(wù)才可以喚醒LED1任務(wù)。

OSTaskResume函數(shù)將喚醒已經(jīng)被掛起的任務(wù)。若需要恢復(fù)LED1任務(wù)，則按下開發(fā)板上的恢復(fù)鍵。程序判斷恢復(fù)鍵所對應(yīng)的條件語句為真時，由當(dāng)前任務(wù)調(diào)用OSTaskResume(LED1_TASK_PRIO)以恢復(fù)LED1任務(wù)。此時1號LED開始閃爍，LED1任務(wù)恢復(fù)。條件判斷的代碼如下：

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_1)==Bit_RESET){

OSTaskResume(LED1_TASK_PRIO); }

若在本系統(tǒng)中刪除一個任務(wù)，則需要該任務(wù)自己刪除自己。OSTaskDelReq和OSTaskDel函數(shù)均可刪除一個任務(wù)，但二者有很大區(qū)別。例如，若按下刪除鍵刪除LED2任務(wù)，即利用key_task函數(shù)直接調(diào)用OSTaskDel函數(shù)來刪除LED2任務(wù)，則LED2任務(wù)所占用的資源將不會被釋放。這會使內(nèi)存使用率下降，浪費系統(tǒng)的資源。解決這一問題的合理方法是，在按下刪除鍵后，key_task函數(shù)調(diào)用OSTaskDelReq函數(shù)來請求LED2任務(wù)刪除它自己。當(dāng)CPU執(zhí)行到LED2任務(wù)時，程序?qū)⑴袛嗍欠翊嬖谝粋€OSTaskDelReq請求。若存在該請求，則調(diào)用OSTaskDel函數(shù)來徹底刪除自己，并釋放已占用的資源和內(nèi)存。若不存在該請求，則LED2任務(wù)正常執(zhí)行。LED2任務(wù)led2_task代碼如下：

void led2_task(void *pdata){

pdata=pdata;

while(1){

if(OSTaskDelReq(OS_PRIO_SELF)==OS_ERR_TASK_DEL_REQ){

OSTaskDel(OS_PRIO_SELF); }

//LED2任務(wù)代碼塊

}

}

2.4 運行程序和驗證

現(xiàn)運行本系統(tǒng)的程序并驗證上述實例。按下STM32開發(fā)板上的復(fù)位鍵，系統(tǒng)自動創(chuàng)建3個LED進程，3個LED均保持同步的閃爍，這代表系統(tǒng)已經(jīng)初始化，可以開始驗證。驗證環(huán)節(jié)把3號LED作為參照，用按鍵對1、2號LED進行試驗。按下掛起鍵后，系統(tǒng)掛起LED1任務(wù)，此時開發(fā)板上的1號LED熄滅，其余兩個LED保持同步閃爍。按下恢復(fù)鍵，LED1任務(wù)恢復(fù)，并可以獲取CPU的執(zhí)行權(quán)。此時1號LED雖恢復(fù)閃爍，但與其余兩個不同步。按下刪除鍵，2號LED熄滅，這表示LED2任務(wù)刪除了它自己并釋放了已占用的資源和內(nèi)存。按下恢復(fù)鍵，LED2開始閃爍，此時3個LED的閃爍均不同步。而這種不同步現(xiàn)象發(fā)生的原因是，此前在每個LED任務(wù)中均設(shè)計了延遲時間為1秒的延遲函數(shù)，當(dāng)某個LED任務(wù)被中斷后又再次被CPU執(zhí)行時，LED會發(fā)生閃爍不同步的現(xiàn)象。

上述實例的系統(tǒng)文件完整，所有代碼在編譯時未出現(xiàn)警告或異常。程序在STM32開發(fā)板上可正常運行，每個LED在按鍵控制下均可以按預(yù)期正常工作，實現(xiàn)了多任務(wù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計。

3 結(jié)語

基于STM32微處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)，本文分析了多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計原理，研究了設(shè)計過程中的一些關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了一個多任務(wù)程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)使原本抽象的任務(wù)管理可以通過LED狀態(tài)的改變而直觀表現(xiàn)出來。系統(tǒng)文件結(jié)構(gòu)清晰，程序使用C語言編寫，代碼簡潔，可讀性高，是分析多任務(wù)系統(tǒng)的良好實例。同時，可以設(shè)計其他類型的任務(wù)來替換這些LED任務(wù)，使系統(tǒng)更加靈活，更具可移植性、可擴展性。