零基础学习6：嵌入式实时操作系统RTOS移植与多任务实现——以uC/OS-III在STM32F103为例
本文基于STM32F103平台实现了uC/OS-III实时操作系统的移植与应用开发。首先通过STM32CubeMX工具建立HAL库基础工程，配置时钟、GPIO和串口等外设；然后获取uC/OS-III源码并进行工程结构调整，添加必要的组件和头文件路径；接着修改启动文件与配置文件，实现BSP层初始化功能；最终构建了包含三个不同执行周期的并发任务系统。该实践不仅验证了uC/OS-III在STM32平台的
·
目录
引言
随着嵌入式系统应用复杂度的不断提升，传统的单任务程序架构在处理多任务并发需求时面临诸多挑战。实时操作系统通过提供任务调度、资源管理和时间控制等核心功能，能够有效保证关键任务在规定时间内完成。uC/OS-III作为一款经过市场验证的实时内核，具有代码透明、可裁剪性强、可靠性高等特点。本文基于STM32F103微控制器平台，系统性地记录了uC/OS-III实时操作系统的移植过程，重点构建了三个具有不同执行周期的并发任务，通过实践操作深入理解RTOS在多任务环境下的工作机制。这一技术实践不仅有助于掌握实时系统的核心原理，也为开发更复杂的嵌入式应用提供了重要的技术基础。
一、建立STM32HAL库工程
1.1 实时操作系统RTOS学习
实时操作系统是专门为满足实时应用需求而设计的系统软件，能够保证任务在确定的时间约束内执行完成。与通用操作系统相比，RTOS更加注重任务的及时响应和可预测性。uC/OS-III作为一款抢占式实时内核，提供了完整的任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信机制，适用于对实时性要求严格的嵌入式应用场景。
1.2 基于HAL库创建工程
使用STM32CubeMX工具创建基础工程框架：
1.选择STM32F103C8T6作为目标芯片
2.配置RCC时钟源，设置系统时钟为72MHz
3.配置GPIO引脚：PC13和PA5设置为输出模式，用于LED控制
4.配置USART1：波特率115200，8位数据位，无校验，1位停止位
5.生成工程代码时选择MDK-ARM开发环境
二、获取uC/OS-III源码
链接：https://pan.baidu.com/s/1Axjz1ptMjIPcH6_0tjKKDw
提取码：ucos
三、移植准备
3.1 复制uC/OS-III文件到工程文件夹
在生成的项目文件夹下新建一个uCOSIII文件夹，将下载的源文件下的uC-CPU、uC-LIB、uCOS-III、uCOS-CONFIG复制到该文件夹，新建uC-BSP文件夹并新建bsp.c, bsp.h文件如下图：
3.2 添加工程组件和头文件路径
在生成的Keil项目中添加五个新组：uC-CPU、uC-LIB、uCOS-III、uCOS-CONFIG\uC-BSP, 如下图：
点击Options for Target，点击C/C++，在Include Path栏中添加以下路径：
四、移植修改代码
4.1 启动文件修改
将启动文件中的PendSV_Handler和Systick_Handler改为OS_CPU_PendSVHandler和OS_CPU_SysTickHandler，如下图：
4.2 app_cfg.h配置
#define APP_CFG_SERIAL_EN DEF_ENABLED改为#define APP_CFG_SERIAL_EN DEF_DISABLED；#define APP_TRACE BSP_Ser_Printf改为#define APP_TRACE (void)。
4.3 includes.h配置
在#include <bsp.h>下添加#include "gpio.h", #include "app_cfg.h"；#include <stm32f10x_lib.h>改为#include "stm32f1xx_hal.h"。
4.4 bsp.c和bsp.h实现
bsp.c
// bsp.c
#include "includes.h"
#define DWT_CR *(CPU_REG32 *)0xE0001000
#define DWT_CYCCNT *(CPU_REG32 *)0xE0001004
#define DEM_CR *(CPU_REG32 *)0xE000EDFC
#define DBGMCU_CR *(CPU_REG32 *)0xE0042004
#define DEM_CR_TRCENA (1 << 24)
#define DWT_CR_CYCCNTENA (1 << 0)
CPU_INT32U BSP_CPU_ClkFreq (void)
{
return HAL_RCC_GetHCLKFreq();
}
void BSP_Tick_Init(void)
{
CPU_INT32U cpu_clk_freq;
CPU_INT32U cnts;
cpu_clk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
#if(OS_VERSION>=3000u)
cnts = cpu_clk_freq/(CPU_INT32U)OSCfg_TickRate_Hz;
#else
cnts = cpu_clk_freq/(CPU_INT32U)OS_TICKS_PER_SEC;
#endif
OS_CPU_SysTickInit(cnts);
}
void BSP_Init(void)
{
BSP_Tick_Init();
MX_GPIO_Init();
}
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
void CPU_TS_TmrInit (void)
{
CPU_INT32U cpu_clk_freq_hz;
DEM_CR |= (CPU_INT32U)DEM_CR_TRCENA; /* Enable Cortex-M3's DWT CYCCNT reg. */
DWT_CYCCNT = (CPU_INT32U)0u;
DWT_CR |= (CPU_INT32U)DWT_CR_CYCCNTENA;
cpu_clk_freq_hz = BSP_CPU_ClkFreq();
CPU_TS_TmrFreqSet(cpu_clk_freq_hz);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
CPU_TS_TMR CPU_TS_TmrRd (void)
{
return ((CPU_TS_TMR)DWT_CYCCNT);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_32_EN == DEF_ENABLED)
CPU_INT64U CPU_TS32_to_uSec (CPU_TS32 ts_cnts)
{
CPU_INT64U ts_us;
CPU_INT64U fclk_freq;
fclk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
ts_us = ts_cnts / (fclk_freq / DEF_TIME_NBR_uS_PER_SEC);
return (ts_us);
}
#endif
#if (CPU_CFG_TS_64_EN == DEF_ENABLED)
CPU_INT64U CPU_TS64_to_uSec (CPU_TS64 ts_cnts)
{
CPU_INT64U ts_us;
CPU_INT64U fclk_freq;
fclk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
ts_us = ts_cnts / (fclk_freq / DEF_TIME_NBR_uS_PER_SEC);
return (ts_us);
}
#endif
bsp.h
#ifndef __BSP_H__
#define __BSP_H__
#include "stm32f1xx_hal.h"
void BSP_Init(void);
#endif
4.5 main.c实现
我在main.c中创建了三个任务：Led0TaskTCB控制PC13端口的LED灯以1s为周期亮—灭；Led1TaskTCB控制PA5端口的LED灯以3s为周期亮—灭。MsgTaskTCB控制USART1以2s发送hello uc/OS!
代码如下：
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "gpio.h"
#include "usart.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <includes.h>
#include "stm32f1xx_hal.h"
/* USER CODE END Includes */
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
/* USER CODE END PTD */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* 任务优先级 */
#define START_TASK_PRIO 3
#define LED0_TASK_PRIO 4
#define MSG_TASK_PRIO 5
#define LED1_TASK_PRIO 6
/* 任务堆栈大小 */
#define START_STK_SIZE 96
#define LED0_STK_SIZE 128
#define MSG_STK_SIZE 128
#define LED1_STK_SIZE 128
/* 任务栈 */
CPU_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
CPU_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE];
CPU_STK MSG_TASK_STK[MSG_STK_SIZE];
CPU_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];
/* 任务控制块 */
OS_TCB StartTaskTCB;
OS_TCB Led0TaskTCB;
OS_TCB MsgTaskTCB;
OS_TCB Led1TaskTCB;
/* USER CODE END PD */
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
/* USER CODE END PM */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
/* 任务函数定义 */
void start_task(void *p_arg);
static void AppTaskCreate(void);
static void AppObjCreate(void);
static void led_pc13(void *p_arg);
static void send_msg(void *p_arg);
static void led_pa3(void *p_arg);
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
/* USER CODE END PFP */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/* USER CODE END 0 */
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
OS_ERR err;
OSInit(&err);
HAL_Init();
SystemClock_Config();
//MX_GPIO_Init(); 这个在BSP的初始化里也会初始化
MX_USART1_UART_Init();
/* 创建任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB *)&StartTaskTCB, /* Create the start task */
(CPU_CHAR *)"start task",
(OS_TASK_PTR ) start_task,
(void *) 0,
(OS_PRIO ) START_TASK_PRIO,
(CPU_STK *)&START_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE) START_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE) START_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY ) 0,
(OS_TICK ) 0,
(void *) 0,
(OS_OPT )(OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR),
(OS_ERR *)&err);
/* 启动多任务系统，控制权交给uC/OS-III */
OSStart(&err); /* Start multitasking (i.e. give control to uC/OS-III). */
}
void start_task(void *p_arg)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
p_arg = p_arg;
/* YangJie add 2021.05.20*/
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
//CPU_Init();
//Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); //统计任务
#endif
#ifdef CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN //如果使能了测量中断关闭时间
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
#endif
#if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN //当使用时间片轮转的时候
//使能时间片轮转调度功能,时间片长度为1个系统时钟节拍，既1*5=5ms
OSSchedRoundRobinCfg(DEF_ENABLED,1,&err);
#endif
OS_CRITICAL_ENTER(); //进入临界区
/* 创建LED0任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&Led0TaskTCB,
(CPU_CHAR * )"led_pc13",
(OS_TASK_PTR )led_pc13,
(void * )0,
(OS_PRIO )LED0_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&LED0_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)LED0_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)LED0_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY )0,
(OS_TICK )0,
(void * )0,
(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR * )&err);
/* 创建LED1任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&Led1TaskTCB,
(CPU_CHAR * )"led_pa3",
(OS_TASK_PTR )led_pa3,
(void * )0,
(OS_PRIO )LED1_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&LED1_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)LED1_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)LED1_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY )0,
(OS_TICK )0,
(void * )0,
(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR * )&err);
/* 创建MSG任务 */
OSTaskCreate((OS_TCB * )&MsgTaskTCB,
(CPU_CHAR * )"send_msg",
(OS_TASK_PTR )send_msg,
(void * )0,
(OS_PRIO )MSG_TASK_PRIO,
(CPU_STK * )&MSG_TASK_STK[0],
(CPU_STK_SIZE)MSG_STK_SIZE/10,
(CPU_STK_SIZE)MSG_STK_SIZE,
(OS_MSG_QTY )0,
(OS_TICK )0,
(void * )0,
(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR,
(OS_ERR * )&err);
OS_TaskSuspend((OS_TCB*)&StartTaskTCB,&err); //挂起开始任务
OS_CRITICAL_EXIT(); //进入临界区
}
/**
* 函数功能: 启动任务函数体。
* 输入参数: p_arg 是在创建该任务时传递的形参
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void led_pc13 (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
static void led_pa3 (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 500,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 500,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
static void send_msg (void *p_arg)
{
OS_ERR err;
(void)p_arg;
BSP_Init(); /* Initialize BSP functions */
CPU_Init();
Mem_Init(); /* Initialize Memory Management Module */
#if OS_CFG_STAT_TASK_EN > 0u
OSStatTaskCPUUsageInit(&err); /* Compute CPU capacity with no task running */
#endif
CPU_IntDisMeasMaxCurReset();
AppTaskCreate(); /* Create Application Tasks */
AppObjCreate(); /* Create Application Objects */
while (DEF_TRUE)
{
// printf("hello uc/OS \r\n");
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"hello uc/OS!\r\n", 16 , 0xffff);
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* 函数功能: 创建应用任务
* 输入参数: p_arg 是在创建该任务时传递的形参
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void AppTaskCreate (void)
{
}
/**
* 函数功能: uCOSIII内核对象创建
* 输入参数: 无
* 返 回 值: 无
* 说 明：无
*/
static void AppObjCreate (void)
{
}
/* USER CODE END 4 */
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
/* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/
OSTimeDlyHMSM函数是延时函数，括号中的四个数字表示延迟时长，从左至右分别为时、分、秒、毫秒。
4.6 lib_cfg.h配置
该文件中有一个宏定义：
#define LIB_MEM_CFG_HEAP_SIZE 27u * 1024u
STM32F103C8T6的RAM仅有20KB，因此需要将堆空间改小，这里改成5KB：
#define LIB_MEM_CFG_HEAP_SIZE 5u * 1024u
五、任务实现
VID_20251031_132351
六、总结
通过完整的uC/OS-III移植实践，成功在STM32F103平台上构建了多任务实时系统。整个移植过程涵盖了工程创建、环境配置、代码修改和功能测试等关键环节。在实践过程中，需要特别注意启动文件的正确修改、系统时钟的准确配置以及任务堆栈的合理分配。最终实现的三个周期性任务运行稳定，验证了RTOS在任务调度和时间管理方面的有效性。这次实践不仅加深了对实时操作系统工作原理的理解，也为后续开发更复杂的嵌入式应用积累了宝贵经验。移植过程中遇到的问题和解决方法，为类似项目的开发提供了重要参考。
七、参考资源
1.STM32F103C8T6基于HAL库移植uC/OS-III
2.【STM32入门学习】学习嵌入式实时操作系统（RTOS）移植uc/OS到stm32F103上
3.STM32F103C8移植uC/OSIII并以不同周期点亮两个LED灯（HAL库方式）【uC/OS】【STM32开发板】【STM32CubeMX】
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