嵌入式系統設計報告

1、嵌入式操作系統報告 學 院 專 業(yè) 題 目 LED、按鍵、LCD、MPU6050任務切換 姓名學號 指導教師 日 期 2016 年 12月 10 日 摘要隨著電子技術的發(fā)展,嵌入式技術成為當今計算機應的主流技術,嵌入式操作系統是嵌入式系統發(fā)展到一定階段的產物，是為了滿足日益復雜的嵌入式系統設計的要求而產生的。隨著微處理器功能的不斷提升，嵌入式操作系統的應用范圍也變得越來越強大。對基于特定嵌入式操作系統上的軟件設計研究己成為了近年來的熱點，井且對于嵌入式操作系統在實際工程中的推廣應用有著重要的意義。本文使用蒲公英STM32F103開發(fā)板，利用Keil軟件創(chuàng)建工程。移植UCOS系統內核，應用C語言

2、編寫程序。完成了四個任務的創(chuàng)建和相互調度：LED燈、按鍵、LCD屏幕顯示、MPU6050加速度傳感器數據采集，通過按鍵更改LED燈的顯示效果、通過實時采集MUP6050傳感器的數據，顯示在LCD上，并用信號量和消息郵箱進行任務之間的信息傳遞。關鍵詞：UCOS-ii、嵌入式系統、STM32F103、keilABSTRACT With the development of electronic technology, embedded technology has become the mainstream technology in the computer, the embedded oper

3、ating system is the product of a certain stage of development of embedded system, is produced in order to meet the design requirements of the embedded system is becoming more complicated. With the continuous improvement of the function of the microprocessor, the application of embedded operating sys

4、tem becomes more and more powerful. The research of software design based on specific embedded operating system has become a hot spot in recent years, and it has important significance for the application of embedded operating system in practical engineering.In this paper, the use of dandelion STM32

5、F103 development board, the use of Keil software to create the project. Transplant UCOS system kernel, the application of C language program. Complete the construction of four tasks and scheduling: LED lights, buttons, LCD display screen, MPU6050 acceleration sensor data acquisition, change the LED

6、lamp through the button display, through real-time acquisition of MUP6050 sensor data, display on the LCD, and the task of transmission of information between signal and message mailbox.Key words: UCOS-ii, embedded system, STM32F103, KeilKey words：目錄1 緒論11.1 研究的目的與意義11.2 嵌入式系統概述11.3 嵌入式操作系統特征及發(fā)展現狀22

7、 u C/OS-II簡介32.1 u C/OS-II特點32.2 u C/OS-II內核分析32.2.1 臨界段32.2.2 任務定義及狀態(tài)42.2.3 任務控制塊(OS TCB)52.2.4 任務調度53 開發(fā)環(huán)境73.1 開發(fā)環(huán)境73.1.1 Keil簡介73.1.2 keil特點73.2 硬件環(huán)境83.2.1 蒲公英32F平臺簡介83.2.2 32F103引腳圖83.2.3 蒲公英32F103開發(fā)板特點94 程序分析104.1 程序流程圖104.2 代碼分析114.2.1 lcd顯示功能114.2.2 按鍵功能114.2.3 LED燈控制功能124.2.4 加速度傳感功能134.2.5

8、在屏幕上顯示傳感數字135 5運行結果145.1 程序代碼截圖145.2 實物圖156 心得體會15參考文獻16致謝161 緒論1.1 研究的目的與意義隨著單片機技術的普及和日益成熟，嵌入式系統已經無處不在、無時不刻地影響著人們的生活了。各種嵌入式產品的功能不斷增強、精確程度不斷提高、響應時間逐漸縮短，可靠性不斷提高且成本不斷降低。嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。簡言之，嵌入式系統是根據應用的要求，將操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中，從而實現了軟件和硬件一體化的計算機系統。嵌入式系統一

9、般不提供與終端用戶交互的手段，具有小巧、高度自動化和響應速度快等特點。從7年代第一臺微處理器的出現到現在，嵌入式系統的發(fā)展己經有二十幾年的歷史了，隨著以計算機技術，通訊技術為主的信息技術的迅速發(fā)展和互聯網技術的廣泛應用，嵌入式系統的發(fā)展己顯示出微型化和專業(yè)化的趨勢。正是由于嵌入式系統的種種優(yōu)越性，嵌入式系統自產生那天起便開始迅速的發(fā)展，如今嵌入式系統己成為計算機領域的一個重要的組成部分。1.2 嵌入式系統概述嵌入式系統（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”，根據英國電氣工程師協會（ U.K. Institution of Elect

10、rical Engineer）的定義，嵌入式系統為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統不同，嵌入式系統通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統只針對一項特殊的任務，設計人員能夠對它進行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統通常進行大量生產，所以單個的成本節(jié)約，能夠隨著產量進行成百上千的放大。嵌入式系統是用來控制或者監(jiān)視機器、裝置、工廠等大規(guī)模設備的系統。國內普遍認同的嵌入式系統定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。通常，嵌入式系統是一個控制程序存儲在

11、ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統，有些嵌入式系統還包含操作系統，但大多數嵌入式系統都是由單個程序實現整個控制邏輯。 嵌入式系統的核心是由一個或幾個預先編程好以用來執(zhí)行少數幾項任務的微處理器或者單片機組成。與通用計算機能夠運行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統上的軟件通常是暫時不變的；所以經常稱為“固件”。1.3 嵌入式操作系統特征及發(fā)展現狀 嵌入式操作系統井不是簡單嵌入的操作系統，它與通常意義上的操作系統有一定的區(qū)別。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬資源的分配、調度工作，控制井協調井發(fā)活動，它必須體現其所在系統的

12、特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。與通用的操作系統相比，嵌入式操作系統具有如下一些特征： (1)良好的移植性。由于嵌入式設備硬件平臺的多樣性，CPU芯片的快速更新，嵌入式操作系統要求具有更好的硬件適應性。嵌入式操作系統一般都支持廣泛的運行平臺，同時對每種微處理器都提供相應的編譯器、連接器、調試器和加載工具以及性能測試工具等一系列工具鏈，從而形成從開發(fā)、調試到運行的一體化支持; (2)小巧，要求占用更小的硬件資源。嵌入式系統所能提供的資源有限，所以嵌入式操作系統必須做的小巧以滿足嵌入式系統硬件的限制。況且由于嵌入式系統自身的特點，它所需要的模塊和功能更小巧，一些在桌面操作系統中的

13、功能在嵌入式操作系統也就不適用了;(3)實時性。大多數嵌入式系統工作在實時性要求很高的環(huán)境中，這就要求嵌入式操作系統必須將實時性作為一個很重要的方面來考慮。在信息時代，人們必須在有效的時間內對到來的信息進行處理，從而為進一步的決策分析爭取時間。所以嵌入式操作系統必須體現一定的實時性;(4)可裝載和卸載。由于嵌入式系統需要根據應用的要求進行裝卸，所以嵌入式操作系統也必須能夠適應應用的需要進行裝卸，對嵌入式操作系統的各個部分進行優(yōu)化和刪除。(5)固化代碼。在嵌入式系統中，嵌入式操作系統和應用軟件被固化在嵌入式系統計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統中使用的很少，因此嵌入式操作系統的文件管理功能

14、應該被拆卸，取而代之的是各種內存文件系統;(6)弱交互性。大多數嵌入式系統的工作過程不需要人的干預。嵌入式操作系統的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統調用命令向用戶程序提供服務。(7)強穩(wěn)定性。嵌入式系統一旦開始運行就不需要人的過多干預。井且很多的嵌入式系統工作在很惡劣的工業(yè)生產的環(huán)境下。在這種條件下，要求嵌入式操作系統具有較高的穩(wěn)定性;(8)統一的接口。隨著各種各樣的嵌入式操作系統的出現人們有必要為嵌入式系統提供的接口進行約定，從而為嵌入式應用軟件的設計者提供統一的服務接口，為嵌入式軟件的運行提供平臺的無關性。正是由于嵌入式操作系統所具有的這些鮮明的特點才使得其在嵌入式系統的開發(fā)中得到了

15、廣泛的應用，近年來全球嵌入式操作系統的發(fā)展空間更是正隨著互聯網、通訊和計算機市場的飛速增長而不斷的擴大。但另一個方面，盡管國外許多公司也有對此類系統幾十年的開發(fā)經驗，可到目前為止在嵌入式系統上井無一個統一的國際標準，這就使得市場上出現了各種不同種類的嵌入式操作系統，這些操作系統各有特色，其采用的體系結構和技術手段也各有優(yōu)點，應用范圍也不盡相同。2 u C/OS-II簡介2.1 u C/OS-II特點 u C/OS- II是由美國人Jean J. Labrosse編寫的一個公開源代碼的，微內核嵌入式實時操作系統，其實時性能和內核的健壯性早已經在大量的實際應用中得到了證實。它是由u C/OS升級而

16、來的，并且做了很大的改進。下面簡單介紹一下它的特點： (1)公開源代碼，且源代碼中有詳細的注釋，源代碼清晰易讀且結構協調、組織有序，對實時操作系統的基本原理做了非常詳細的解釋，簡單易懂。 (2)移植性好，u C/OS- II的源代碼絕大部分是用ANSI C編寫的，與微處理器相關的部分是用匯編語言寫的，使得u C/OS- II便于移植到其它處理器上。 (3)可裁剪，用戶可以根據自己的寄存器空間的大小和實際需要，只保留u C/OS- II中應用程序需要的那些系統服務。 (4)穩(wěn)定性和可靠性高，抗干擾能力強。 (5) u C/OS- II完全是占先式的實時內核。這意味著u C/OS- II總是運行就

17、緒狀態(tài)下優(yōu)先級最高的任務。 (6) u C/OS- II每個任務的優(yōu)先級必須是不同的，這意味著 C/OS- II不支持時間片輪轉調度法(Round-robin Scheduling ) Z o (7) u C/OS- II的函數調用與服務的執(zhí)行時間具有其可確定性。 (8)u C/OS- II提供很多系統服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數等。2.2 u C/OS-II內核分析u C/OS- II內核負責管理各個任務，或者說為每一個任務分配CPU時間及其相關的資源，并且負責任務之間的通信。內核提供的基本服務是任務切換。使用實時內核可以大大簡化應用系統的設計

18、，因為實時內核允許將應用分成若干個任務，由實時內核來管理它們。接下來從幾方面對u C/OS-II的內核作出介紹:2.2.1 臨界段 代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的一段代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷。為確保臨界段代碼的執(zhí)行，在進入臨界段之前要關中斷，而臨界段代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷。和其它內核一樣，u C/OS- II為了處理臨界段代碼需要關中斷，處理完畢后再開中斷。這使得u C/OS- II能夠避免同時有其它任務或中斷服務進入臨界段代碼。關中斷的時間是實時內核開發(fā)商應提供的最重要的指標之一，因為這個指標影響用戶系統對實時事件的響應性。 u C/OS- II努力使

19、關中斷時間降至最短，但就使用u C/OS- II而言，關中斷的時間很大程度上取決于微處理器的架構以及編譯器所生成的代碼質量。微處理器一般都有關中斷/開中斷指令，用戶使用的C語言編譯器必須有某種機制能夠在C中直接實現關中斷/開中斷地操作。u C/OS- II定義兩個宏來關中斷和開中斷，以便避開不同C編譯器廠商選擇不同的方法來處理關中斷和開中斷。 u C/OS- II中的這兩個宏調用分別是:OS ENTER CRITICAL()和OS_ EXITes CRITICAL() 。2.2.2 任務定義及狀態(tài) u C/OS- II的任務是一個無限的循環(huán)，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認為CP

20、U完全只屬該程序自己。一個任務可以有返回類型，有形式參數變量，但是任務是絕不會返回的。當任務完成以后，任務可以自我“刪除”，即u C/OS- II不理會這個任務了，這個任務的代碼也不會再運行。實時應用程序的設計過程，包括如何把問題分割成多個任務，每個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。u C/OS- II可以管理多達64個任務，其中空任務(IDLE)和統計任務(STATISTICS)被系統占用。任務在建立時必須被賦予不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的數值越小，則表示任務的優(yōu)先級越高。u C/OS- II總是運行進入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。

21、多任務運行的實現是靠CPU在許多任務之間轉換、調度，CPU只有一個，輪番服務于一系列任務中的某一個。多任務運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應用程序模塊化。在實時應用中，多任務化的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的應用程序層次化。使用多任務，應用程序將更容易設計與維護。u C/OS- II中任務的狀態(tài)包括運行態(tài)、就緒態(tài)、等待狀態(tài)、睡眠態(tài)和中斷服務態(tài)。圖2-1是u C/OS- II控制下的任務狀態(tài)轉換過程。在任一給定的時刻，任務的狀態(tài)一定是這五種狀態(tài)之一。2.2.3 任務控制塊(OS TCB) 任務控制塊(OS TCB)是一個數據結構，是用來描述任務的一些屬性，包括任務標識號、任務優(yōu)先級、

22、任務狀態(tài)信息、任務控制信息以及堆棧信息等。u C/OS- II中是采用任務控制塊的方式對任務進行管理的。任務控制塊在任務被建立時被初始化，當任務的CPU使用權被剝奪時，u C/OS- II用任務控制塊來保存該任務的狀態(tài)。而當任務重新得到CPU使用權時，任務控制塊能恢復任務到被中斷前的狀態(tài)，確保任務從中斷的那一點繼續(xù)執(zhí)行下去。任務控制塊全部駐留在RAM中。應用程序中可以有的最多任務數(OS一AXes TASKS )是在文件OS一FCzH中定義的。這個最多任務數也是u C/OS- II分配給用戶程序的最多任務控制塊的數目。將OS MAX TASKS的數目設置為用戶應用程序實際需要的任務數可以減小R

23、AM的需求量。所有的任務控制塊都是放在任務控制塊列表數組OSTCBTbI中的。在 u C/OS- II初始化的時候，所有任務控制塊OS一CBs被鏈接成單向空任務鏈表。當任務一旦建立，空任務控制塊指針OSTCBFreeList指向的任務控制塊便賦給了該任務，然后OSTCBFreeList的值調整為指向下鏈表中下一個空的任務控制塊。一旦任務被刪除，任務控制塊就還給空任務鏈表。2.2.4 任務調度 在u C/OS- II中，最多支持63個任務，每個任務只能有獨立的優(yōu)先級，即不能有2個相同優(yōu)先級的任務，系統也不支持時間片輪番調度。因此，Rhealstone方法的定義，uC/OS- II的實時性主要體現

24、在搶占(Preemption)按照時間和中斷等待時間(Latency ) u C/OS- II是一種基于優(yōu)先級調度的占先式內核。在系統運行的過程中，可能發(fā)生任務調度的時機有: (1)對任務操作的時候，包括:創(chuàng)建或者刪除任務，掛起或者恢復任務，改變任務優(yōu)先級。 (2)任務主動使用OSTimeDly函數延時的時候。 (3)發(fā)送(或者等待)信號量、郵箱、消息的時候。 (4)中斷函數返回的時候。中斷往往會使一個更高優(yōu)先級任務處于就緒狀態(tài)，包括使用信號量等或者直接恢復某個任務。所以，在系統退出中斷的時候，就需要判斷是否有更高優(yōu)先級的任務處于就緒狀態(tài)，如果有，則需要進行任務調度。 (5)給系統的任務調度器

25、解鎖的時候。在大多數情況下，u C/OS- II中斷級的任務調度是按照如圖2-2所示的流程進行的。其中Tr為系統的中斷等待時間。Tp為系統的搶占時間。Ts為系統的中斷響應與查找的時間，主要包括中斷入口程序的執(zhí)行，注冊在系統中的中斷向量的查找等。Td為執(zhí)行中斷處理所用的時間。Tw為系統判斷并查找處于就緒狀態(tài)下優(yōu)先級最高的任務和中斷級任務切換的時間。而Tc則可以認為滿足:0Tc成系統的最長關中斷時間。當有多個中斷產生的時候，如果因為中斷的優(yōu)先級低或者系統不允許中斷嵌套，則u c/os- II的中斷級任務調度將按照如圖2-3所示的流程進行。 u C/OS- II是一個實時性比較強的多任務操作系統，很

26、容易評估出系統調度的最長響應時間。每一個任務都是一個死循環(huán)。u C/OS-II V2.86 可以擴展至支持256個任務，除去系統自帶的優(yōu)先級被設置為最低的空閑任務 OSTask Idle()和一個u C/OS-II提供的統計任務，用戶可以自己制定的任務多達254個。u C/OS-II內核通過一個被稱為任務控制塊（OS_TCB）的數據結構來完成任務的建立、調度、執(zhí)行和刪除操作。u C/OS-II中每個任務都具備五種狀態(tài)，當內核進行一次調度或者發(fā)生相關的事件時，任務就會在這五種狀態(tài)之間轉換，如圖2-4所示。圖2.4 uC/OS-II的任務就緒表3 開發(fā)環(huán)境3.1 開發(fā)環(huán)境3.1.1 Keil簡介

27、Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（Vision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統。3.1.2 keil特點Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性

28、、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，更為便捷。3.2 硬件環(huán)境3.2.1 蒲公英32F平臺簡介STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3。該系列芯片按片內Flash的大小可分為三大類：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。其結構和硬件框圖如圖3-1，3-2所示：圖3-1蒲公英32F103開發(fā)板 圖3-2 32F103硬件框圖3.2.2 32F103引腳圖

29、（1）LED燈電路圖3.3 LED輸出端口圖3.4 LED電路（2）按鍵電路圖3.5 按鍵輸出端口 圖3.6按鍵電路（3）LCD電路圖3.7 LCD輸出電路 圖3.8LCD外圍電路（4）MPU6050電路圖3.9 MPU6050外圍電路3.2.3 蒲公英32F103開發(fā)板特點1、ARM最新的Cortex-M3內核。優(yōu)先級搶占的中斷控制器，支持中斷自動嵌套，硬件完成現場保護與恢復，中斷嵌套時，只需保護和恢復一次現場，即使在恢復現場的時候再次中斷也不需要再次保護現場，只需6個clk的調整時間。2、外設的引腳居然可以重影射3、RAM可以通過位綁定技術按位來訪問4 程序分析4.1 程序流程圖 4-1程

30、序整體流程圖4.2 代碼分析4.2.1 lcd顯示功能void TaskMessageLCD(void *pParam)err=OS_ERR_NONE; 定義異常，為傳參數做準備PUTword8x16(0,0,23,1);/xPUTchar16x16(0,1,2); /軸PUTword8x16(1,0,24,1);/yPUTchar16x16(1,1,2); /軸PUTword8x16(2,0,25,1);/zPUTchar16x16(2,1,2); /軸PUTword8x16(3,0,6,0);/gPUTword8x16(3,1,18,0);/sPUTword8x16(3,2,25,0);/

31、zPUTword8x16(3,3,25,0);/zPUTchar16x16(3,3,0); /高PUTchar16x16(3,4,1);/尚代碼解析：通過PUTchar16x16(a,b,c)定義字符，通過改變a,b的數值來改變數據在LCD顯示屏上的位置（a為X軸坐標，b為Y軸坐標）。改變C的排位。PUTword8x16(a,b,c,d)為定義字母，通過改變A,B 的數據來改變在LCD顯示屏上的位置,通過改變C的數值來獲取A-Z的26個英文字母字模并顯示，改變D在決定數據的大小寫，0為小寫字母，1為大寫字母。4.2.2 按鍵功能void UserTaskKEY(void *pParam)key

32、_i=0;/把按鍵置0MyEventSem=OSSemCreate(0);/創(chuàng)建信號量，為了信號之間的通信做準備 while(1)OSTimeDly(wait1); /延時為1個時鐘滴答if(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_15)/按下按鍵來控制pin=15口OSSemPost(MyEventSem);代碼解析：設置一個按鍵，用while語句設置一個時鐘延時，if語句控制pin=15口。4.2.3 LED燈控制功能void UserTaskLED(void *pParam)key_mark=0;/設置key_mark變量err=0;/異常為0 OST

33、imeDly(wait1); /延時為1個時鐘滴答while(1)/循環(huán)OSSemPend(MyEventSem,0,&err); /*電平翻轉*/if(key_mark=0)/如果變量為0GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);/pin4,5口LED燈不亮GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5);key_mark=1;/標志位elseGPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4); /pin4,5口LED燈亮GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5); key_mark=0; /標志位代碼解析：設置ke

34、y mark變量，key mark為布爾量，通過電平的反轉改變，用if語句判斷key mark的值控制LED燈的亮滅。4.2.4 加速度傳感功能void TaskMessageMPU(void *pParam) err=OS_ERR_NONE; scount=1; myMBox=OSMboxCreate(&scount);/創(chuàng)建郵箱 OSMboxPend(myMBox,0,&err); /請求消息，若不存在則堵塞 while(1) OSTimeDly(wait2);/ 延時1個時鐘滴答scount=GetData(ACCEL_XOUT_H)/16384;/將X傳感器的值存儲到scount中OSMboxPost(myMBox,&scount);/將消息發(fā)送接收郵箱里scount=GetData(ACCEL_YOUT_H)/16384;OSMboxPos