基于STM32的多任務系統的設計與實現

趙宇科，高紅亮，胡惠敏，李小玲

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

當今的單片機種類繁多，發展頗為迅速。而傳統的單片機雖然功能完備，但效率偏低，不適用于多任務系統的研發。多任務系統較單任務系統而言，宏觀上可同時執行多個任務，但微觀上CPU在一段時間內只處理一個任務[1]。目前，多任務處理機制已經成為微控制器的一個基本功能需求。為研究多任務系統的設計，需要選用一款操作簡單、性能強大的微控制器。STM32是當今主流的微控制器之一，其運行效率高且能耗較低，故本系統基于STM32進行分析和設計[2]。多任務系統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實現多任務機制有重要意義。

1 系統設計

在STM32上移植μC/OS-II操作系統后，用戶可以在STM32上進行多任務系統的設計開發。μC/OS-II作為應用軟件運行的平臺，用于調度各個任務和協調任務之間的通信[3]。本系統的設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。例如，計算機硬件的物理層面和Keil軟件的邏輯層面應同時建立對應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端口可并行傳輸數據。STM32數據手冊中包含了每個I/O特性的詳細說明，據此，可使用Keil5將GPIO配置為多種功能模式。使用GPIO_Configuration函數可以配置GPIO，其中定義結構體變量用以描述GPIO的功能。

μC/OS-II操作系統占用空間小，但性能強大?；谶@樣的系統，開發人員將屏蔽硬件底層代碼，用高級程序設計語言編寫代碼，從而提高開發效率。μC/OS-II可按某種策略合理地切換各個任務，使CPU在執行多個任務時效率更高。μC/OS-II根據用戶編寫的程序對任務進行調度，改變任務的狀態。多任務的任務狀態轉換圖如圖1所示。

圖1 任務狀態轉換圖

2 實例系統實現

本系統由C語言程序編寫，設計3個LED任務，以3個LED的閃爍狀態來模擬多任務的管理。其中1號、2號LED用于系統的驗證，3號LED作為對照。系統設計的結果通過LED能直觀表現，即LED的狀態間接反映任務的狀態，包括任務的創建、掛起、刪除和恢復[4]。同時，設計KEY任務，使STM32開發板上的按鍵與這些狀態分別對應。

2.1 建立項目工程

STM庫函數功能齊全，內容豐富，需要在建立項目工程時引入庫函數文件。這些文件使程序的設計更加便捷，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，主函數執行Delay_Init函數。在移植了μC/OS-II的前提下，該函數會初始化μC/OS-II的時鐘節拍，一般設置為系統時鐘的1/8.RCC_Configuration函數初始化系統時鐘。

2.2 配置GPIO和移植μC/OS-II

在工程模板的基礎上直接編寫程序，配置GPIO.為了提高微處理器的執行效率，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的.h文件。配置時要注意，在初始化GPIO時，先聲明GPIO結構體變量，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的系統文件要保證其正確性和完整性，成功移植μC/OS-II的關鍵在于項目文件[6,7]。在物理層面導入μC/OS-II的系統文件后，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構如圖2所示。

圖2 新建組的邏輯層面文件結構

2.3 設計多任務程序

設計μC/OS-II多任務程序的三個關鍵操作包括：給定任務的優先級別、設置任務的堆棧大小和創建任務的堆?？臻g。在設置任務優先級別和堆棧時，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，用于標記優先級高低和堆棧大小。μC/OS-II可供使用的優先級別有62個，即優先級從高到低排序有0至61.

主函數的程序流程圖如圖3所示。其開始部分初始化延遲函數和系統時鐘，并配置LED和按鍵的GPIO.LED的GPIO函數聲明結構體變量，配置管腳和傳輸速度。按鍵的GPIO函數與之類似[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函數初始化μC/OS-II，OSTaskCreate函數聲明指向任務代碼的指針和分配給任務堆棧的棧頂指針，隨后分配該任務的優先級。編程時，OSTaskCreate函數參數列表中的start_task用于創建三個LED任務和KEY任務。主函數在最后調用OSStart函數啟動操作系統。OSTaskCreate函數的參數列表如下：

OSTaskCreate(start_task, (void *)0,

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

START_TASK_PRIO);

start_task函數初始化統計任務，并標記任務進入臨界區。進入臨界區的任務只有在退出臨界區后才可以被中斷打斷。使用start_task函數創建KEY任務和每個LED任務時，與上文類似，也需要OSTaskCreate函數聲明任務代碼指針和任務堆棧的棧頂指針，并指定優先級別。這里假定任務的優先級均相同。start_task函數的程序流程圖如圖4所示。

圖3 主函數程序流程圖

定義STM32開發板上的按鍵分別為復位鍵、刪除鍵、掛起鍵和恢復鍵。新建一個表示按鍵的key.c文件，在文件中定義KEY任務函數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，執行的條件判斷代碼如下：

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

OSTaskSuspend(LED1_TASK_PRIO); }

OSTaskSuspend 函數將無條件掛起LED1任務，其參數列表為被掛起任務的優先級。LED1任務被掛起后，系統將重新對任務進行調度，CPU優先運行下一個優先級別最高的任務。這里要注意，當LED1任務被掛起時，只有其他任務才可以喚醒LED1任務。

OSTaskResume函數將喚醒已經被掛起的任務。若需要恢復LED1任務，則按下開發板上的恢復鍵。程序判斷恢復鍵所對應的條件語句為真時，由當前任務調用OSTaskResume(LED1_TASK_PRIO)以恢復LED1任務。此時1號LED開始閃爍，LED1任務恢復。條件判斷的代碼如下：

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

OSTaskResume(LED1_TASK_PRIO); }

若在本系統中刪除一個任務，則需要該任務自己刪除自己。OSTaskDelReq和OSTaskDel函數均可刪除一個任務，但二者有很大區別。例如，若按下刪除鍵刪除LED2任務，即利用key_task函數直接調用OSTaskDel函數來刪除LED2任務，則LED2任務所占用的資源將不會被釋放。這會使內存使用率下降，浪費系統的資源。解決這一問題的合理方法是，在按下刪除鍵后，key_task函數調用OSTaskDelReq函數來請求LED2任務刪除它自己。當CPU執行到LED2任務時，程序將判斷是否存在一個OSTaskDelReq請求。若存在該請求，則調用OSTaskDel函數來徹底刪除自己，并釋放已占用的資源和內存。若不存在該請求，則LED2任務正常執行。LED2任務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任務代碼塊

}

}

2.4 運行程序和驗證

現運行本系統的程序并驗證上述實例。按下STM32開發板上的復位鍵，系統自動創建3個LED進程，3個LED均保持同步的閃爍，這代表系統已經初始化，可以開始驗證。驗證環節把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，系統掛起LED1任務，此時開發板上的1號LED熄滅，其余兩個LED保持同步閃爍。按下恢復鍵，LED1任務恢復，并可以獲取CPU的執行權。此時1號LED雖恢復閃爍，但與其余兩個不同步。按下刪除鍵，2號LED熄滅，這表示LED2任務刪除了它自己并釋放了已占用的資源和內存。按下恢復鍵，LED2開始閃爍，此時3個LED的閃爍均不同步。而這種不同步現象發生的原因是，此前在每個LED任務中均設計了延遲時間為1秒的延遲函數，當某個LED任務被中斷后又再次被CPU執行時，LED會發生閃爍不同步的現象。

上述實例的系統文件完整，所有代碼在編譯時未出現警告或異常。程序在STM32開發板上可正常運行，每個LED在按鍵控制下均可以按預期正常工作，實現了多任務系統的分析和設計。

3 結語

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