ucodii-2(选做)

Posted 2020-11-26 seven-moon

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任务要求

阅读附件中的代码，回答：

1. ucos是如何分层的？
2. HAL都有哪些代码？
3. 分析任务是如何切换的？

1. ucos是如何分层的？

分为四层：

• 硬件相关层
  该层中，要尽量所有硬件相关都囊括在其中。不管是GPIO还是定时器，或串行接口。这其中有三个最为重要的接口Open、Close、Ctrl。
  Open主要来完成对应硬件初始化，形参中包括了一些初始化的相关参数。
  Close失能硬件。
  Ctrl来实现一些控制的修改如优先级、中断回调函数等等，硬件不同，内容不同。
• 驱动接口层
  该层会用到一个或多个硬件层的接口，进行组合来实现特定功能的程序。
  以Flash为列进行说明：
  这里主要调用硬件层的SPI函数接口，但是主要的写、读指令都是在以下函数中完成的。该层中需要提供5个标准统一的接口函数：XXXOpen、XXXClose、XXXWrite、XXXRead、XXXIoCtl。
  没有被用到的函数，可以为空。本来还需要Install函数来进行动态加载和删除，因为stm32内存一般都很有限，所以舍弃动态分配。而把这5个函数用常量的形式直接编译到ROM中。在驱动的抽象接口层中可以做选择，哪些驱动要加载到内核，哪些不需要。不要的驱动不参与编译。这样有限的资源就可以得到合理的应用。该层大部分工作可以说属于一次性投入。
• 应用接口层
  该层主要连接驱动和应用。又是连接应用层模块与模块之间的一层，这一块有很强的特殊性，第一包括了驱动抽象接口层，第二包括了模块与模块的接口层。第三又与应用层密不可分。
  首先是驱动抽象接口，这个接口其实就是通过ID去访问ID对应的五个函数。抽象接口也是一次性投入的函数，在设计时对其可靠性要很重视。
  然后是模块与模块的接口层，包括模块的接口头文件，这些头文件要求是非常独立的，不能加载模块内的内部头文件，应该包括接口函数的函数声明，在接口中尽量少用到全局变量。如果非要用到可以使用函数的方式进行传递，或ucos消息队列方式。最好用ucos进行传递，因为有很好的互斥保护功能。
• 应用层
  该层中所有模块都算是应用层。模块内所有变量，或函数（接口除处）应该都本地化。在模块内可以有本模块化共用的主头文件，来方便本模块的维护。对硬件的访问其实直接调用应用接口就可完成。

2. HAL都有哪些代码？

stm32f2xx.h主要包含STM32同系列芯片的不同具体型号的定义，是否使用HAL库等的定义，接着，其会根据定义的芯片信号包含具体的芯片型号的头文件

#if defined(STM32F205xx)
#include "stm32f205xx.h"
#elif defined(STM32F215xx)
#include "stm32f215xx.h"
#elif defined(STM32F207xx)
#include "stm32f207xx.h"
#elif defined(STM32F217xx)
#include "stm32f217xx.h"
#else
#error "Please select first the target STM32F2xx device used in your application (in stm32f2xx.h file)"
#endif

紧接着，其会包含stm32f2xx_hal.h。

• stm32f2xx_hal.h：stm32f2xx_hal.c/h 主要实现HAL库的初始化、系统滴答相关函数、及CPU的调试模式配置
• stm32f2xx_hal_conf.h
  ：该文件是一个用户级别的配置文件，用来实现对HAL库的裁剪，其位于用户文件目录，不要放在库目录中。

接下来对于HAL库的源码文件进行一下说明，HAL库文件名均以stm32f2xx_hal开头，后面加上_外设或者模块名（如：stm32f2xx_hal_adc.c）：

库文件：
    stm32f2xx_hal_ppp.c/.h          // 主要的外设或者模块的驱动源文件，包含了该外设的通用API
    stm32f2xx_hal_ppp_ex.c/.h       // 外围设备或模块驱动程序的扩展文件。这组文件中包含特定型号或者系列的芯片的特殊API。以及如果该特定的芯片内部有不同的实现方式，则该文件中的特殊API将覆盖_ppp中的通用API。
    stm32f2xx_hal.c/.h              // 此文件用于HAL初始化，并且包含DBGMCU、重映射和基于systick的时间延迟等相关的API
    其他库文件
用户级别文件：
    stm32f2xx_hal_msp_template.c    // 只有.c没有.h。它包含用户应用程序中使用的外设的MSP初始化和反初始化（主程序和回调函数）。使用者复制到自己目录下使用模板。
    stm32f2xx_hal_conf_template.h   // 用户级别的库配置文件模板。使用者复制到自己目录下使用
    system_stm32f2xx.c              // 此文件主要包含SystemInit()函数，该函数在刚复位及跳到main之前的启动过程中被调用。 **它不在启动时配置系统时钟（与标准库相反）**。 时钟的配置在用户文件中使用HAL API来完成。
    startup_stm32f2xx.s             // 芯片启动文件，主要包含堆栈定义，终端向量表等
    stm32f2xx_it.c/.h               // 中断处理函数的相关实现
    main.c/.h                       //

根据HAL库的命名规则，其API可以分为以下三大类：

• 初始化/反初始化函数： HAL_PPP_Init(), HAL_PPP_DeInit()
• IO 操作函数： HAL_PPP_Read(), HAL_PPP_Write(),HAL_PPP_Transmit(),
  HAL_PPP_Receive()
• 控制函数： HAL_PPP_Set (), HAL_PPP_Get ().
• 状态和错误: HAL_PPP_GetState (), HAL_PPP_GetError ().

HAL库最大的特点就是对底层进行了抽象。在此结构下，用户代码的处理主要分为三部分：

• 处理外设句柄（实现用户功能）
• 处理MSP
• 处理各种回调函数

用户代码的第一大部分：对于外设句柄的处理。 HAL库在结构上，对每个外设抽象成了一个称为ppp_HandleTypeDef的结构体，其中ppp就是每个外设的名字。*所有的函数都是工作在ppp_HandleTypeDef指针之下。

• 多实例支持：每个外设/模块实例都有自己的句柄。 因此，实例资源是独立的
• 外围进程相互通信：该句柄用于管理进程例程之间的共享数据资源。

下面，以ADC为例：

/** 
 * @brief  ADC handle Structure definition
 */ 
typedef struct
{
    ADC_TypeDef                   *Instance;                   /*!< Register base address */
    ADC_InitTypeDef               Init;                        /*!< ADC required parameters */
  __IO uint32_t                 NbrOfCurrentConversionRank;  /*!< ADC number of current conversion rank */
    DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle;                 /*!< Pointer DMA Handler */
    HAL_LockTypeDef               Lock;                        /*!< ADC locking object */
    __IO uint32_t                 State;                       /*!< ADC communication state */
    __IO uint32_t                 ErrorCode;                   /*!< ADC Error code */
}ADC_HandleTypeDef;

从上面的定义可以看出，ADC_HandleTypeDef中包含了ADC可能出现的所有定义，对于用户想要使用ADC只要定义一个ADC_HandleTypeDef的变量，给每个变量赋好值，对应的外设就抽象完了。接下来就是具体使用了。
当然，对于那些共享型外设或者说系统外设来说，他们不需要进行以上这样的抽象，这些部分与原来的标准外设库函数基本一样。例如以下外设：

• GPIO
• SYSTICK
  -NVIC
• RCC
• FLASH
  以GPIO为例，对于HAL_GPIO_Init() 函数，其只需要GPIO 地址以及其初始化参数即可。

HAL库对所有的函数模型也进行了统一。在HAL库中，支持三种编程模式：轮询模式、中断模式、DMA模式（如果外设支持）。其分别对应如下三种类型的函数（以ADC为例）：

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef* hadc);

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

其中，带_IT的表示工作在中断模式下；带_DMA的工作在DMA模式下（注意：DMA模式下也是开中断的）；什么都没带的就是轮询模式（没有开启中断的）。至于使用者使用何种方式，就看自己的选择了。
此外，新的HAL库架构下统一采用宏的形式对各种中断等进行配置（原来标准外设库一般都是各种函数）。针对每种外设主要由以下宏：

__HAL_PPP_ENABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__)： 使能一个指定的外设中断
__HAL_PPP_DISABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__)：失能一个指定的外设中断
__HAL_PPP_GET_IT (__HANDLE__, __ INTERRUPT __)：获得一个指定的外设中断状态
__HAL_PPP_CLEAR_IT (__HANDLE__, __ INTERRUPT __)：清除一个指定的外设的中断状态
__HAL_PPP_GET_FLAG (__HANDLE__, __FLAG__)：获取一个指定的外设的标志状态
__HAL_PPP_CLEAR_FLAG (__HANDLE__, __FLAG__)：清除一个指定的外设的标志状态
__HAL_PPP_ENABLE(__HANDLE__) ：使能外设
__HAL_PPP_DISABLE(__HANDLE__) ：失能外设
__HAL_PPP_XXXX (__HANDLE__, __PARAM__) ：指定外设的宏定义
__HAL_PPP_GET_ IT_SOURCE (__HANDLE__, __ INTERRUPT __)：检查中断源

在HAL库的源码中，到处可见一些以__weak开头的函数，而且这些函数，有些已经被实现了，比如：

__weak HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
    /*Configure the SysTick to have interrupt in 1ms time basis*/
    HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock/1000U);
    /*Configure the SysTick IRQ priority */
    HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, TickPriority ,0U);
    /* Return function status */
    return HAL_OK;
}

有些则没有被实现，例如：

__weak void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(hspi);
  /* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,the HAL_SPI_TxCpltCallback should be implemented in the user file
  */
}

所有带有__weak关键字的函数表示，就可以由用户自己来实现。如果出现了同名函数，且不带__weak关键字，那么连接器就会采用外部实现的同名函数。通常来说，HAL库负责整个处理和MCU外设的处理逻辑，并将必要部分以回调函数的形式给出到用户，用户只需要在对应的回调函数中做修改即可。 HAL库包含如下三种用户级别回调函数（PPP为外设名）：

• 外设系统级初始化/解除初始化回调函数（用户代码的第二大部分：对于MSP的处理）：HAL_PPP_MspInit()和
  HAL_PPP_MspDeInit** 例如：__weak void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef
  *hspi)。在HAL_PPP_Init() 函数中被调用，用来初始化底层相关的设备（GPios, clock, DMA, interrupt）
• 处理完成回调函数：HAL_PPP_ProcessCpltCallback*（Process指具体某种处理，如UART的Tx），例如：__weak
  void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef
  *hspi)。当外设或者DMA工作完成后时，触发中断，该回调函数会在外设中断处理函数或者DMA的中断处理函数中被调用
• 错误处理回调函数：HAL_PPP_ErrorCallback例如：__weak void
  HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef
  *hspi)**。当外设或者DMA出现错误时，触发终端，该回调函数会在外设中断处理函数或者DMA的中断处理函数中被调用

3. 分析任务是如何切换的。

ucos的任务切换方式一般有两种：

• 时钟节拍中断服务函数OSTickISR()进行切换。
• 任务中调用时间延迟函数OSTimeDly()进行切换。

1、延迟函数OSTimeDly()进行切换：

  y  =  OSTCBCur->OSTCBY;  
  OSRdyTbl[y] &= ~OSTCBCur->OSTCBBitX;//清除准备优先级中的X标记量
  if (OSRdyTbl[y] == 0) {
        OSRdyGrp &= ~OSTCBCur->OSTCBBitY;//如果对应的Y优先级中没有X的优先级标记了，则把Y优先级也清除
    }
  OSTCBCur->OSTCBDly = ticks;//把对应的延时时间赋值给任务控制块，在系统滴答中断中会自动减

OS_SchedNew();//从准备好的任务中找到优先级最高的，赋值给OSPrioHighRdy，然后通过OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];从任务的链表中找出对应的任务控制块， OS_TASK_SW();实际切换任务的函数，一般由汇编代码完成。

2、中断服务函数进行切换：

 OS_CPU_SysTickHandler (void)位系统滴答中断函数。

上面内容为OSTimeTick()函数的主要内容，if (ptcb->OSTCBDly != 0) 和 if (--ptcb->OSTCBDly == 0) 判断该任务块中的设定的延时是否到了，OSRdyGrp |= ptcb->OSTCBBitY; OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;延时时间到后将该任务的优先级重新加入到优先级准备变量中。

OSIntExit()该函数和上面的内容差不多，是中断函数中真正切换任务的地方

参考资料：ucos软件结构、STM32 之二 HAL库详解 及 手动移植、ucos 任务切换简介