uC/OS-III 移植完成多任务环境搭建

我的大拇指

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我的大拇指 · 2026-10-28 22:06:37 发布

文章目录

一、目标与环境
- - 硬件
  - 软件工具链
二、RTOS 基础知识
三、总体流程总览
四、阶段一：CubeMX 建立工程
五、阶段二：uC/OS 源码整理
六、阶段三：Keil 工程集成
七、阶段四：移植关键修改
八、阶段五：应用代码（3 个任务）
九、阶段六：编译、烧录与验证
- - 9.1 编译、烧录配置
  - 9.2 硬件接线
十、遇到的问题与解决
十一、运行效果
十二、小结

一、目标与环境

硬件

STM32F103C8T6 最小系统板（Cortex-M3，ARMv7-M，72MHz，64KB Flash / 20KB SRAM）
两个 LED（自行接线，接 PB0、PB1）
USB-TTL 串口模块（CH340，接 PA9/PA10）
DAPLink 下载器（SWD）

软件工具链

Keil MDK5（ARM Compiler V5.06，需勾选 MicroLIB）
STM32CubeMX（图形化配置工程）
uC/OS-III 源码（官方 GitHub：SiliconLabs 的 uC-OS3 / uC-CPU / uC-LIB 三件套）

二、RTOS 基础知识

2.1 什么是 RTOS？为什么用 RTOS？

裸机（前后台）程序：一个 while(1) 大循环里顺序执行多个任务。缺点是：任务之间必须互相让出时间，任何一个任务耗时都会卡住后面的任务，实时性差、代码耦合。

RTOS（实时操作系统）：把"任务"交给操作系统统一调度。每个任务是一个独立的无限循环函数，用延时主动"睡眠"让出 CPU，操作系统根据优先级和时间片决定"现在该运行哪个任务"。多任务看起来是"同时"在跑（伪并行），实际上由 RTOS 快速切换。

uC/OS-III：一个抢占式、可裁剪的实时内核，提供任务管理、延时、信号量、消息队列、互斥量等。相比 uC/OS-II，它允许多个任务同优先级（支持时间片轮转）。

2.2 关键概念

概念	含义	本实验对应
任务（Task）	一个无限循环的 C 函数	`AppTaskLED1 / LED2 / UART`
优先级（Priority）	数字越小越优先；抢占式调度按优先级决定运行谁	2/3/4/5
任务栈（Stack）	每个任务独立的栈空间，保存其局部变量与现场	`AppTaskLED1Stk[...]`
TCB	任务控制块，内核记录任务状态的结构体	`AppTaskLED1TCB`
系统节拍（Tick）	内核的心跳，由 SysTick 定时器产生，如每 1ms 一次	`OS_CPU_SysTickInitFreq()`
上下文切换	保存当前任务现场、恢复下一个任务现场，由 PendSV 异常完成	`OS_CPU_PendSVHandler`
任务延时	任务"睡"指定时长后让出 CPU，到点内核唤醒它	`OSTimeDlyHMSM()`
抢占式调度	高优先级任务就绪时立即打断低优先级任务	内核自动完成

2.3 本实验为什么必须动 SysTick 和 PendSV？

uC/OS 要正常工作，需要两个中断：

SysTick（系统节拍）：周期触发产生 tick，驱动任务延时、时间片调度。必须让给 RTOS。
PendSV（可悬挂的上下文切换）：用于任务切换时保存/恢复现场。必须由 RTOS 接管。

因此移植时要把这两个中断向量从"系统默认的空函数"改成 uC/OS 的处理函数，这就是阶段四的核心。

三、总体流程总览

① CubeMX 建工程（配置外设 + 时基改 TIM4）
        │
② 整理 uC/OS 源码（复制三件套到工程 uCOS\ 目录）
        │
③ Keil 工程集成（加分组、Include 路径、勾 MicroLIB）
        │
④ 移植关键修改（启动文件向量、it.c、cpu_cfg.h、include 路径）
        │
⑤ 编写应用代码（app.c：3 个任务 + AppInit）
        │
⑥ 编译验证（0 Error 0 Warning）→ 烧录 → 接线 → 观察现象

四、阶段一：CubeMX 建立工程

4.1 新建工程

打开 STM32CubeMX → New Project → 选择芯片 STM32F103C8Tx。
选择引脚图界面后，先配置 RCC 时钟。

4.2 时钟配置（Clock Configuration）

选 HSE 外部 8MHz 晶振，PLL 倍频 ×9 → SYSCLK = 72MHz。
AHB / APB1 / APB2 分频：HCLK=72M、PCLK1=36M、PCLK2=72M。

4.3 外设与引脚配置

在这里插入图片描述

外设	引脚	配置
USART1	PA9=TX、PA10=RX	115200，8 位，1 停止位，无校验，无流控
GPIO 输出	PB0 → 命名 LED0；PB1 → 命名 LED1	Output Push-Pull，无上下拉，初始 High

生成的宏：LED0_Pin=GPIO_PIN_0、LED1_Pin=GPIO_PIN_1（均在 GPIOB），见 main.h。

4.4 关键一步：把 HAL 时基从 SysTick 改到 TIM4

CubeMX 默认用 SysTick 做 HAL 的延时基准（HAL_Delay）。但 SysTick 要留给 uC/OS 做系统节拍，二者会冲突。
在这里插入图片描述

操作：SYS → Timebase Source → 选 TIM4（或任意通用定时器）。生成后工程里会出现一个专门的 stm32f1xx_hal_timebase_tim.c，把 HAL 的 HAL_IncTick 挪到 TIM4 的中断里做。这一步做对，RTOS 才能独占 SysTick。

4.5 生成工程

Project Manager → 选 MDK-ARM(V5)、勾"Generate under root"等 → 生成代码，先用 Keil 编译一遍确认 0 Error 后再往下做。

五、阶段二：uC/OS 源码整理

5.1 下载源码

从官方 GitHub 下载三件套：

uC-OS3-develop（内核）
uC-CPU-develop（CPU 无关层 / CPU 移植辅助）
uC-LIB-develop（数学、内存、字符串等库）

在这里插入图片描述

5.2 确定移植层

STM32F103 是 Cortex-M3 = ARMv7-M，用 Keil/ARMCC 编译器，所以要找的移植层在：

uC-OS3-develop/Ports/ARM-Cortex-M/ARMv7-M/ARM/

该目录下对应 Keil 的文件是：

os_cpu_a.asm（汇编，上下文切换、启动最高优先级任务）
os_cpu_c.c（C，SysTick 初始化/中断处理等）
os_cpu.h

5.3 复制到工程内

在工程根目录建 uCOS 目录并复制：

uCOS/
├── CORE/   # 内核全部 .c/.h（os_core.c, os_task.c, os_tick.c ... 共约 20 个）
│           # 含配置实例 os_cfg_app.c
├── PORT/   # os_cpu_c.c, os_cpu_a.asm, os_cpu.h  （ARMv7-M/ARM，Keil）
├── CPU/    # cpu_core.c, cpu_c.c, cpu_a.asm 及 cpu.h、cpu_cfg.h
├── LIB/    # lib_mem.c, lib_str.c, lib_math.c, lib_ascii.c ...
└── APP/    # 从 Cfg/Template 复制 os_cfg.h、os_cfg_app.h、
            # os_app_hooks.c/h 等配置模板 + 我们自己写的 app.c/app.h

说明：os_cfg.h / os_cfg_app.h / os_app_hooks.c / os_app_hooks.h / cpu_cfg.h / lib_cfg.h 属于配置/应用模板，从源码的 Cfg/Template 目录复制过来再修改。

六、阶段三：Keil 工程集成

打开工程 MDK-ARM\LEDS.uvprojx，做三件事：

6.1 新建文件分组并加入 uC/OS 源文件

在 Project 树中新增分组（与 CubeMX 生成的 Application/MDK-ARM 并列）：

分组	加入的文件
uCOS_CORE	`os_cfg_app.c`、`os_core.c`、`os_dbg.c`、`os_flag.c`、`os_mem.c`、`os_msg.c`、`os_mutex.c`、`os_prio.c`、`os_q.c`、`os_sem.c`、`os_stat.c`、`os_task.c`、`os_tick.c`、`os_time.c`、`os_tmr.c`、`os_var.c`
uCOS_PORT	`os_cpu_c.c`、`os_cpu_a.asm`
uCOS_CPU	`cpu_core.c`、`cpu_c.c`、`cpu_a.asm`
uCOS_LIB	`lib_ascii.c`、`lib_math.c`、`lib_mem.c`、`lib_str.c`
uCOS_APP	`os_app_hooks.c`、`app.c`

注意：.asm 汇编文件在工程里要标记为汇编类型（Keil 里 FileType=2），否则会被当 C 编译报错。

在这里插入图片描述

6.2 配置 Include 路径（C/C++ → Include Paths）

追加 uC/OS 头文件目录：

../uCOS/CORE;../uCOS/PORT;../uCOS/CPU;../uCOS/LIB;../uCOS/APP

在这里插入图片描述

6.3 勾选 MicroLIB

在 Target 选项 → Target 页勾选 Use MicroLIB。
作用：提供精简版 C 库，printf 等可用，并支持我们后面做 fputc 重定向到串口。

在这里插入图片描述

七、阶段四：移植关键修改

7.1 启动文件：向量表指向 uC/OS 的中断处理函数

原理：前面讲过，RTOS 必须接管 SysTick（节拍）和 PendSV（任务切换）。CubeMX 生成的启动文件 startup_stm32f103xb.s 里这两个中断向量默认指向弱定义的空函数 PendSV_Handler、SysTick_Handler。我们要把它们改成 uC/OS 的实现。

修改 startup_stm32f103xb.s：

（a）在向量表 __Vectors 之前声明外部符号（IMPORT）：

                IMPORT  OS_CPU_PendSVHandler
                IMPORT  OS_CPU_SysTickHandler

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack

（b）把向量表第 74 / 75 项改指向 uC/OS：

                DCD     OS_CPU_PendSVHandler        ; PendSV_Handler
                DCD     OS_CPU_SysTickHandler       ; SysTick_Handler

这一步不改会报 A1516E: Bad symbol，因为改了名字又没 IMPORT。

7.2 stm32f1xx_it.c：删除两个空的默认中断函数

CubeMX 生成的 Core/Src/stm32f1xx_it.c 里有空的 PendSV_Handler() 和 SysTick_Handler()。向量表已指向 OS_CPU_*，这两个空函数不会被调用，但删掉更干净，避免与 RTOS 的中断定义混淆（否则一旦有地方仍引用 SysTick_Handler，会冲突或走错分支）。

删除这两个空函数：

// 删掉以下两个空函数：
// void PendSV_Handler(void)  { }
// void SysTick_Handler(void) { }

7.3 cpu_cfg.h：启用 NVIC 优先级位数宏

uC/CPU 层的 cpu_cfg.h 里 CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS 模板默认被 #if 0 禁用。不启用的话，os_cpu_c.c 里关于临界区/中断优先级边界（CPU_CRITICAL 相关、OS_CPU_PendSV_IRQn 优先级赋值依赖它）的计算编译不过。

启用它（STM32 Cortex-M3 支持 4 位优先级，取值 4）：

#define  CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS                   4u

7.4 os_cpu_c.c：修正 include 路径

SiliconLabs 官方仓库里 os_cpu_c.c 开头是：

#include  "../../../Source/os.h"      // 这是官方仓库的相对路径，工程内不适用

我们已把内核放在 uCOS/CORE/，且已加入 Include 路径，改成：

#include  "os.h"

八、阶段五：应用代码（3 个任务）

8.1 app.h

#ifndef APP_H
#define APP_H

#include "os.h"

void  AppInit(void);

#endif /* APP_H */

8.2 app.c（核心：3 个任务 + 启动任务 + 系统初始化）

#include "app.h"
#include "main.h"        /* LED0_Pin / LED1_Pin 引脚宏 */
#include "os_cpu.h"      /* OS_CPU_SysTickInitFreq 声明 */
#include <stdio.h>

/* ---- 任务优先级（数字越小越优先） ---- */
#define  APP_CFG_TASK_START_PRIO        2u
#define  APP_CFG_TASK_LED1_PRIO         3u
#define  APP_CFG_TASK_LED2_PRIO         4u
#define  APP_CFG_TASK_UART_PRIO         5u

/* ---- 任务栈大小（CPU_STK 单位 = 4 字节） ---- */
#define  APP_CFG_TASK_START_STK_SIZE    256u
#define  APP_CFG_TASK_LED1_STK_SIZE     128u
#define  APP_CFG_TASK_LED2_STK_SIZE     128u
#define  APP_CFG_TASK_UART_STK_SIZE     256u

static  OS_TCB   AppTaskStartTCB;
static  CPU_STK  AppTaskStartStk[APP_CFG_TASK_START_STK_SIZE];
static  OS_TCB   AppTaskLED1TCB;
static  CPU_STK  AppTaskLED1Stk[APP_CFG_TASK_LED1_STK_SIZE];
static  OS_TCB   AppTaskLED2TCB;
static  CPU_STK  AppTaskLED2Stk[APP_CFG_TASK_LED2_STK_SIZE];
static  OS_TCB   AppTaskUARTTCB;
static  CPU_STK  AppTaskUARTStk[APP_CFG_TASK_UART_STK_SIZE];

/* 任务 1：每 1s 翻转 LED0（PB0） */
static void AppTaskLED1(void *p_arg)
{
    OS_ERR  err;
    (void)p_arg;
    while (1)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
        OSTimeDlyHMSM(0u, 0u, 1u, 0u, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);  /* 延时 1s */
    }
}

/* 任务 2：每 3s 翻转 LED1（PB1） */
static void AppTaskLED2(void *p_arg)
{
    OS_ERR  err;
    (void)p_arg;
    while (1)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
        OSTimeDlyHMSM(0u, 0u, 3u, 0u, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);  /* 延时 3s */
    }
}

/* 任务 3：每 2s 通过串口发送中文问候（printf 已重定向到 USART1） */
static void AppTaskUART(void *p_arg)
{
    OS_ERR  err;
    (void)p_arg;
    while (1)
    {
        printf("hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境！\r\n");
        OSTimeDlyHMSM(0u, 0u, 2u, 0u, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);  /* 延时 2s */
    }
}

/* 启动任务：创建另外 3 个任务后删除自己，回收资源 */
void AppTaskStart(void *p_arg)
{
    OS_ERR  err;
    (void)p_arg;

    OSTaskCreate(&AppTaskLED1TCB, "LED1", AppTaskLED1, (void *)0,
                 APP_CFG_TASK_LED1_PRIO, AppTaskLED1Stk,
                 0u, APP_CFG_TASK_LED1_STK_SIZE, 0u, 0u,
                 (void *)0,
                 OS_OPT_TASK_STK_CHK, &err);

    OSTaskCreate(&AppTaskLED2TCB, "LED2", AppTaskLED2, (void *)0,
                 APP_CFG_TASK_LED2_PRIO, AppTaskLED2Stk,
                 0u, APP_CFG_TASK_LED2_STK_SIZE, 0u, 0u,
                 (void *)0,
                 OS_OPT_TASK_STK_CHK, &err);

    OSTaskCreate(&AppTaskUARTTCB, "UART", AppTaskUART, (void *)0,
                 APP_CFG_TASK_UART_PRIO, AppTaskUARTStk,
                 0u, APP_CFG_TASK_UART_STK_SIZE, 0u, 0u,
                 (void *)0,
                 OS_OPT_TASK_STK_CHK, &err);

    OSTaskDel(NULL, &err);   /* 删除启动任务自己 */
}

/* 应用初始化：OSInit -> 创建启动任务 -> OSStart（由 main 调用） */
void AppInit(void)
{
    OS_ERR  err;

    OSInit(&err);                                      /* 1. 初始化内核 */

    OSTaskCreate(&AppTaskStartTCB, "AppTaskStart", AppTaskStart, (void *)0,
                 APP_CFG_TASK_START_PRIO, AppTaskStartStk,
                 0u, APP_CFG_TASK_START_STK_SIZE, 0u, 0u,
                 (void *)0,
                 OS_OPT_TASK_STK_CHK, &err);           /* 2. 创建启动任务 */

    OS_CPU_SysTickInitFreq(SystemCoreClock);           /* 3. 初始化系统节拍(1ms) */
    OSStart(&err);                                     /* 4. 启动调度器（不再返回） */
}

8.3 main.c 的改造

只在 CubeMX 预留的 USER CODE 区添加，CubeMX 再次生成不会丢失：

（a）USER CODE Includes 加头文件：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "app.h"
/* USER CODE END Includes */

（b）USER CODE 2 调用 AppInit()（放在外设初始化之后）：

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  AppInit();   /* uC/OS-III: OSInit -> 创建启动任务 -> OSStart */
  /* USER CODE END 2 */

（c）USER CODE 4 加 printf 重定向到 USART1：

/* USER CODE BEGIN 4 */
#include <stdio.h>
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 0xFFFF);
  return ch;
}
/* USER CODE END 4 */

这样 printf 输出的每个字符都会从串口 USART1 发出（配合已勾选的 MicroLIB）。

8.4 两个最容易踩的坑（本版本）

OSTaskCreate 是 13 个参数，比常见教程多一个 p_ext。
本版本签名（见 os.h）：(... , OS_TICK time_quanta, void *p_ext, OS_OPT opt, OS_ERR *p_err);
p_ext 在 opt 之前，必须传 (void *)0。漏传会报 #165 too few arguments / #167 类型不兼容。
SysTick 系统节拍必须自己初始化。
移植层（os_cpu_c.c）只提供 OS_CPU_SysTickInitFreq()，不会自动调用。若不调用，SysTick 不启动，OSTimeDlyHMSM 的延时全部失效，任务烧进去"不动"。已在 AppInit 里于 OSStart 前调用：
```
OS_CPU_SysTickInitFreq(SystemCoreClock);   /* 72MHz 下 1ms 一个节拍 */
```

九、阶段六：编译、烧录与验证

9.1 编译、烧录配置

在 Keil 里 Build（或命令行），最终结果：

"LEDS\LEDS.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
Program Size: Code=11408 RO-data=388 RW-data=156 ZI-data=8036

编译通过、链接成功，说明 OS_CPU_PendSVHandler / OS_CPU_SysTickHandler 都已正确链接，内核完整。

Options for Target → Debug → 选择 CMSIS-DAP Debugger（DAPLink） → Settings 确认识别到设备。

Utilities → Settings → Flash Download → 勾选 Reset and Run，并 Add 一个 STM32F10x Med-density 128k Flash 烧录算法。

LOAD 下载。

9.2 硬件接线

两个 LED（低电平点亮接法）：

3.3V ──[限流电阻 330Ω~1kΩ]── LED阳极(+) ── LED阴极(–) ── 单片机GPIO

LED0（任务1）阴极接 PB0；
LED1（任务2）阴极接 PB1。

USB-TTL 串口（交叉接 + 共地）：

 STM32最小系统板                   USB-TTL模块
   PA9  (USART1_TX)  ──────────→   RXD
   PA10 (USART1_RX)  ──────────←   TXD     （任务一只发，可不接）
   GND               ──────────    GND     （必须共地）

波特率 115200；串口助手编码选 GBK

十、遇到的问题与解决

#	问题	现象	解决
1	`OSTaskCreate` 参数个数/顺序不同	`#165 too few arguments`、`#167 类型不兼容`	补传 `p_ext`（`(void *)0`），它位于 `opt` 之前（13 参数）
2	启动文件改向量名后未 IMPORT	`A1516E: Bad symbol 'OS_CPU_PendSVHandler'`	在 `__Vectors` 前加 `IMPORT OS_CPU_PendSVHandler / OS_CPU_SysTickHandler`
3	os_cpu_c.c include 路径是官方仓库相对路径	`#5 cannot open "../../../Source/os.h"`	改为 `#include "os.h"`（Include 路径已含 `uCOS/CORE`）
4	`CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS` 被模板 `#if 0` 禁用	临界区/中断优先级相关编译错	`cpu_cfg.h` 启用为 `4u`
5	SysTick 节拍未初始化	程序能烧入但不动作（任务延时失效）	`AppInit` 里、`OSStart` 前调用 `OS_CPU_SysTickInitFreq(SystemCoreClock)`
6	HAL 时基仍用 SysTick	与 RTOS 抢占 SysTick 冲突	CubeMX 把 Timebase 改为 TIM4（生成 `stm32f1xx_hal_timebase_tim.c`）
7	中文字符乱码	串口收到乱码	源文件用 GBK 保存；串口助手编码选 GBK

十一、运行效果

烧录运行后，在串口助手中每 2 秒收到一行：

hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境！
hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境！
hello uc/OS! 欢迎来到RTOS多任务环境！
...

同时观察板上 LED0 每秒闪一次、LED1 每 3 秒闪一次，与串口输出并行进行、互不阻塞——任务一（uC/OS-III 多任务移植）实验完成。

在这里插入图片描述

动画效果：

在这里插入图片描述

十二、小结

本次实验圆满完成，实现了LED闪烁与串口输出并行进行的效果。

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一、目标与环境

硬件

软件工具链

二、RTOS 基础知识

2.1 什么是 RTOS？为什么用 RTOS？

2.2 关键概念

2.3 本实验为什么必须动 SysTick 和 PendSV？

三、总体流程总览

四、阶段一：CubeMX 建立工程

4.1 新建工程

4.2 时钟配置（Clock Configuration）

4.3 外设与引脚配置

4.4 关键一步：把 HAL 时基从 SysTick 改到 TIM4

4.5 生成工程

五、阶段二：uC/OS 源码整理

5.1 下载源码

5.2 确定移植层

5.3 复制到工程内

六、阶段三：Keil 工程集成

6.1 新建文件分组并加入 uC/OS 源文件

6.2 配置 Include 路径（C/C++ → Include Paths）

6.3 勾选 MicroLIB

七、阶段四：移植关键修改

7.1 启动文件：向量表指向 uC/OS 的中断处理函数

7.2 stm32f1xx_it.c：删除两个空的默认中断函数

7.3 cpu_cfg.h：启用 NVIC 优先级位数宏

7.4 os_cpu_c.c：修正 include 路径

八、阶段五：应用代码（3 个任务）

8.1 app.h

8.2 app.c（核心：3 个任务 + 启动任务 + 系统初始化）

8.3 main.c 的改造

8.4 两个最容易踩的坑（本版本）

九、阶段六：编译、烧录与验证

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9.2 硬件接线

十、遇到的问题与解决

十一、运行效果

十二、小结

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