环境说明

项目 版本
MCU STM32F407IGT6
IDE IAR EWARM V8.32
RTOS uC/OS-III V3.04.04 (Micrium)
HAL库 STM32Cube FW_F4 V1.28.3
CubeMX 6.15.0

本文基于一个由 CubeMX 生成的 STM32F407 HAL 库工程，详细记录如何将 uC/OS-III 移植进去。

一、工程目录结构

移植前的工程结构（CubeMX 生成）：

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TrainCamp_wangjunjie_Modbus/
├── Core/
│   ├── Inc/                    ← HAL 头文件（main.h, stm32f4xx_hal_conf.h 等）
│   └── Src/                    ← HAL 源码（main.c, stm32f4xx_it.c 等）
├── Drivers/
│   ├── CMSIS/
│   └── STM32F4xx_HAL_Driver/
├── EWARM/                      ← IAR 工程目录（.ewp 文件所在位置）
│   ├── XDM-60T4-E.ewp
│   └── startup_stm32f407xx.s
└── XDM-60T4-E.ioc

移植后新增的目录和文件：

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TrainCamp_wangjunjie_Modbus/
├── Core/Inc/                   ← 新增 4 个配置头文件
│   ├── os_cfg.h
│   ├── os_cfg_app.h
│   ├── cpu_cfg.h
│   └── lib_cfg.h
├── EWARM/
│   ├── startup_stm32f407xx.s   ← 修改（FPU 使能 + PendSV 重定向）
│   └── XDM-60T4-E.ewp         ← 修改（include 路径 + 源文件分组）
├── uCOS3/                      ← 新增，从 Micrium 源码复制
│   ├── uC-CPU/
│   │   ├── cpu_core.c, cpu_core.h, cpu_def.h
│   │   └── ARM-Cortex-M4/IAR/
│   │       ├── cpu_a.asm
│   │       ├── cpu_c.c
│   │       └── cpu.h
│   ├── uC-LIB/
│   │   ├── lib_ascii.c/.h, lib_math.c/.h, lib_mem.c/.h, lib_str.c/.h, lib_def.h
│   │   └── Ports/ARM-Cortex-M4/IAR/
│   │       └── lib_mem_a.asm
│   └── uCOS-III/
│       ├── Source/              ← 内核源码（20 个 .c 和 .h）
│       └── Ports/ARM-Cortex-M4/Generic/IAR/
│           ├── os_cpu_a.asm
│           ├── os_cpu_c.c
│           └── os_cpu.h
└── Core/Src/
    ├── main.c                  ← 修改（UCOS3 初始化 + 任务）
    └── stm32f4xx_it.c          ← 修改（SysTick_Handler）

二、源码获取

Micrium 官方源码可从 Micrium GitHub 或官网下载。下载后的目录结构为：

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Micrium/Software/
├── uC-CPU/
├── uC-LIB/
└── uCOS-III/

将这三个文件夹直接复制到工程根目录下的 uCOS3/ 文件夹中。

三、创建配置头文件

uC/OS-III 需要 4 个用户配置头文件。放在 Core/Inc/ 下，因为 IAR 工程已有的 include 路径 $PROJ_DIR$/../Core/Inc 能覆盖到。

路径说明：IAR 的 $PROJ_DIR$ 指向 .ewp 文件所在的目录，即 EWARM/。$PROJ_DIR$/../ 即工程根目录 TrainCamp_wangjunjie_Modbus/。

3.1 os_cfg.h — 内核功能开关

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#ifndef OS_CFG_H
#define OS_CFG_H

#define OS_CFG_APP_HOOKS_EN             1u
#define OS_CFG_ARG_CHK_EN               1u
#define OS_CFG_CALLED_FROM_ISR_CHK_EN   0u
#define OS_CFG_DBG_EN                   1u
#define OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN     0u
#define OS_CFG_OBJ_TYPE_CHK_EN          1u
#define OS_CFG_TS_EN                    1u
#define OS_CFG_PEND_MULTI_EN            0u
#define OS_CFG_PRIO_MAX                64u
#define OS_CFG_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_EN  1u
#define OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN     0u
#define OS_CFG_STK_SIZE_MIN            64u

#define OS_CFG_FLAG_EN                  1u
#define OS_CFG_FLAG_DEL_EN              1u
#define OS_CFG_FLAG_MODE_CLR_EN         1u
#define OS_CFG_FLAG_PEND_ABORT_EN       1u

#define OS_CFG_MEM_EN                   1u

#define OS_CFG_MUTEX_EN                 1u
#define OS_CFG_MUTEX_DEL_EN             1u
#define OS_CFG_MUTEX_PEND_ABORT_EN      1u

#define OS_CFG_Q_EN                     1u
#define OS_CFG_Q_DEL_EN                 1u
#define OS_CFG_Q_FLUSH_EN               1u
#define OS_CFG_Q_PEND_ABORT_EN          1u

#define OS_CFG_SEM_EN                   1u
#define OS_CFG_SEM_DEL_EN               1u
#define OS_CFG_SEM_PEND_ABORT_EN        1u
#define OS_CFG_SEM_SET_EN               1u

#define OS_CFG_STAT_TASK_EN             1u
#define OS_CFG_STAT_TASK_STK_CHK_EN     1u
#define OS_CFG_TASK_CHANGE_PRIO_EN      1u
#define OS_CFG_TASK_DEL_EN              1u
#define OS_CFG_TASK_Q_EN                1u
#define OS_CFG_TASK_Q_PEND_ABORT_EN     1u
#define OS_CFG_TASK_PROFILE_EN          1u
#define OS_CFG_TASK_REG_TBL_SIZE        1u
#define OS_CFG_TASK_SEM_PEND_ABORT_EN   1u
#define OS_CFG_TASK_SUSPEND_EN          1u

#define OS_CFG_TIME_DLY_HMSM_EN         1u
#define OS_CFG_TIME_DLY_RESUME_EN       1u
#define OS_CFG_TLS_TBL_SIZE             0u

#define OS_CFG_TMR_EN                   1u
#define OS_CFG_TMR_DEL_EN               1u

#define TRACE_CFG_EN                    0u

#endif

3.2 os_cfg_app.h — 应用层配置

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#ifndef OS_CFG_APP_H
#define OS_CFG_APP_H

#define  OS_CFG_MSG_POOL_SIZE            100u
#define  OS_CFG_ISR_STK_SIZE             128u
#define  OS_CFG_TASK_STK_LIMIT_PCT_EMPTY  10u

#define  OS_CFG_IDLE_TASK_STK_SIZE        64u

#define  OS_CFG_INT_Q_SIZE                10u
#define  OS_CFG_INT_Q_TASK_STK_SIZE      100u

#define  OS_CFG_STAT_TASK_PRIO            11u
#define  OS_CFG_STAT_TASK_RATE_HZ         10u
#define  OS_CFG_STAT_TASK_STK_SIZE       100u

#define  OS_CFG_TICK_RATE_HZ            1000u   // 1ms tick
#define  OS_CFG_TICK_TASK_PRIO             1u
#define  OS_CFG_TICK_TASK_STK_SIZE       100u

#define  OS_CFG_TMR_TASK_PRIO             11u
#define  OS_CFG_TMR_TASK_RATE_HZ          10u
#define  OS_CFG_TMR_TASK_STK_SIZE        100u

#endif

3.3 cpu_cfg.h — CPU 层配置

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#ifndef  CPU_CFG_MODULE_PRESENT
#define  CPU_CFG_MODULE_PRESENT

#define  CPU_CFG_NAME_EN                        DEF_ENABLED
#define  CPU_CFG_NAME_SIZE                                16

#define  CPU_CFG_TS_32_EN                       DEF_ENABLED
#define  CPU_CFG_TS_64_EN                       DEF_DISABLED
#define  CPU_CFG_TS_TMR_SIZE                    CPU_WORD_SIZE_32

#if 0
#define  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN
#endif
#define  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_OVRHD_NBR                    1u

#if 1
#define  CPU_CFG_LEAD_ZEROS_ASM_PRESENT
#endif

#if 0
#define  CPU_CFG_TRAIL_ZEROS_ASM_PRESENT
#endif

#define  CPU_CFG_CACHE_MGMT_EN            DEF_DISABLED

#endif

3.4 lib_cfg.h — 库配置

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#ifndef  LIB_CFG_MODULE_PRESENT
#define  LIB_CFG_MODULE_PRESENT

#define  LIB_MEM_CFG_ARG_CHK_EXT_EN     DEF_DISABLED
#define  LIB_MEM_CFG_OPTIMIZE_ASM_EN    DEF_ENABLED
#define  LIB_MEM_CFG_DBG_INFO_EN        DEF_DISABLED
#define  LIB_MEM_CFG_HEAP_SIZE            (3u * 1024u)
#define  LIB_MEM_CFG_HEAP_PADDING_ALIGN    LIB_MEM_PADDING_ALIGN_NONE

#define  LIB_STR_CFG_FP_EN                      DEF_DISABLED
#define  LIB_STR_CFG_FP_MAX_NBR_DIG_SIG         LIB_STR_FP_MAX_NBR_DIG_SIG_DFLT

#endif

四、修改 IAR 工程配置（XDM-60T4-E.ewp）

4.1 添加 Include 路径

在 IAR 工程选项 C/C++ Compiler → Additional include directories 中，原有路径保持不变，追加以下 6 条：

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$PROJ_DIR$/../uCOS3/uCOS-III/Source
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uCOS-III/Ports/ARM-Cortex-M4/Generic/IAR
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-CPU
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M4/IAR
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-LIB
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-LIB/Ports/ARM-Cortex-M4/IAR

其中 $PROJ_DIR$ 是 IAR 的内置变量，指向 .ewp 文件所在目录（即 EWARM/），$PROJ_DIR$/../ 即工程根目录。以上路径展开后分别对应：

IAR 路径 实际文件系统路径
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uCOS-III/Source TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uCOS-III/Source/
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uCOS-III/Ports/ARM-Cortex-M4/Generic/IAR TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uCOS-III/Ports/ARM-Cortex-M4/Generic/IAR/
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-CPU TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uC-CPU/
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M4/IAR TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M4/IAR/
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-LIB TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uC-LIB/
$PROJ_DIR$/../uCOS3/uC-LIB/Ports/ARM-Cortex-M4/IAR TrainCamp_wangjunjie_Modbus/uCOS3/uC-LIB/Ports/ARM-Cortex-M4/IAR/

4.2 添加源文件到工程

在 IAR 工程面板中创建以下分组，添加对应源文件。路径均相对于 $PROJ_DIR$/../uCOS3/：

UCOS-III → Source 组（文件位于 uCOS3/uCOS-III/Source/）：

  • os_core.c, os_flag.c, os_int.c, os_mem.c, os_msg.c
  • os_mutex.c, os_pend_multi.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, os_dbg.c, os_cfg_app.c

UCOS-III → Ports 组（文件位于 uCOS3/uCOS-III/Ports/ARM-Cortex-M4/Generic/IAR/）：

  • os_cpu_a.asm
  • os_cpu_c.c

uC-CPU 组：

  • uCOS3/uC-CPU/cpu_core.c
  • uCOS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M4/IAR/cpu_a.asm
  • uCOS3/uC-CPU/ARM-Cortex-M4/IAR/cpu_c.c

uC-LIB 组：

  • uCOS3/uC-LIB/lib_ascii.c, lib_math.c, lib_mem.c, lib_str.c
  • uCOS3/uC-LIB/Ports/ARM-Cortex-M4/IAR/lib_mem_a.asm

五、修改启动文件（EWARM/startup_stm32f407xx.s）

这是移植中最关键的一步，需要修改两处。

5.1 在 Reset_Handler 中使能 FPU

Cortex-M4 复位后 FPU 默认禁用。如果 IAR 工程开启了 FPU（General Options → FPU → FPUv4-SP），必须在 Reset_Handler 中、调用 SystemInit 之前使能 CP10/CP11 协处理器：

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Reset_Handler

        ;; 使能 FPU（CP10 和 CP11 协处理器）
        LDR     R0, =0xE000ED88         ; CPACR 寄存器地址
        LDR     R1, [R0]                ; 读取 CPACR
        ORR     R1, R1, #(0xF << 20)   ; 设置 bits 20-23
        STR     R1, [R0]                ; 写回
        DSB
        ;; 禁用 FPU 上下文自动保存（UCOS3 自己管理）
        LDR     R0, =0xE000EF34         ; FPCCR 寄存器地址
        LDR     R1, [R0]
        BIC     R1, R1, #0xC0000000    ; 清除 ASPEN 和 LSPEN
        STR     R1, [R0]
        ISB

        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

为什么必须这样做？

  • CPACR (0xE000ED88)：不使能 CP10/CP11 的话，UCOS3 上下文切换中的 FPU 指令（VMRS/VSTMDB）会触发 UsageFault → HardFault
  • FPCCR (0xE000EF34)：UCOS3 在 OSTaskSwHook 中手动管理 FPU 寄存器（S0-S31）的保存/恢复，必须禁用硬件自动保存

5.2 重定向 PendSV_Handler

UCOS3 的上下文切换通过 PendSV 异常实现。需要将 startup 文件中的默认 PendSV_Handler 替换为跳转到 UCOS3 的 OS_CPU_PendSVHandler：

找到原文件中的：

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        PUBWEAK PendSV_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(1)
PendSV_Handler
        B PendSV_Handler

替换为：

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        EXTERN  OS_CPU_PendSVHandler
        PUBWEAK PendSV_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
PendSV_Handler
        LDR     R0, =OS_CPU_PendSVHandler
        BX      R0

注意点：

  • NOROOT(2) 而非 NOROOT(1)：LDR R0, =label 生成的字面量池需要 4 字节对齐，NOROOT(1) 只保证 2 字节对齐，会产生 Warning[440]
  • 不能用 C 函数包装 PendSV_Handler 来调用 OS_CPU_PendSVHandler：PendSV 处理函数修改栈指针后通过异常返回退出，C 函数的返回流程会破坏这个机制

六、修改中断处理文件（Core/Src/stm32f4xx_it.c）

6.1 添加 UCOS3 头文件

在文件顶部的 USER CODE Includes 区域加入：

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

6.2 实现 SysTick_Handler

HAL 和 UCOS3 共享 SysTick 定时器。SysTick_Handler 需要同时服务两者。该函数定义在 stm32f4xx_it.c 的 USER CODE 区域，会覆盖 startup 文件中的 weak 默认实现：

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void SysTick_Handler(void)
{
    HAL_IncTick();              // HAL 超时计数（HAL_Delay 等依赖此函数）
    OS_CPU_SysTickHandler();    // UCOS3 tick（任务延时、时间片轮转等）
}

七、实现 CPU_TS_TmrRd（Core/Src/main.c）

UCOS3 的时间戳功能（用于测量调度锁时间等）需要 CPU_TS_TmrRd() 函数。使用 Cortex-M4 内置的 DWT 周期计数器实现。

在 main.c 的 USER CODE 0 区域添加函数定义：

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/* USER CODE BEGIN 0 */
CPU_TS_TMR  CPU_TS_TmrRd (void)
{
    return ((CPU_TS_TMR)DWT->CYCCNT);
}
/* USER CODE END 0 */

在 main() 的 USER CODE Init 区域初始化 DWT：

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/* USER CODE BEGIN Init */
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;   // 使能 DWT 跟踪
DWT->CYCCNT = 0;                                    // 清零周期计数器
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;               // 启动计数
/* USER CODE END Init */

DWT 是 ARM Cortex-M 核心调试组件，STM32CubeMX 没有对应的配置入口，只能手动初始化。这是标准做法，Micrium 官方 BSP 也是如此。

八、编写 main.c 框架

8.1 完整的关键代码

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#include "main.h"
#include "os.h"

/* 任务栈和 TCB */
#define  APP_TASK_START_STK_SIZE    256u
static  OS_TCB   AppTaskStartTCB;
static  CPU_STK  AppTaskStartStk[APP_TASK_START_STK_SIZE];

#define  APP_TASK_GPIO_STK_SIZE    256u
static  OS_TCB   AppTaskGPIOTCB;
static  CPU_STK  AppTaskGPIOStk[APP_TASK_GPIO_STK_SIZE];

/* 函数声明 */
static void AppTaskStart(void *p_arg);
static void AppTaskGPIO(void *p_arg);

/* DWT 时间戳读取 */
CPU_TS_TMR CPU_TS_TmrRd(void)
{
    return ((CPU_TS_TMR)DWT->CYCCNT);
}

int main(void)
{
    OS_ERR err;

    HAL_Init();

    /* DWT 初始化 */
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
    DWT->CYCCNT = 0;
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;

    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    /* UCOS3 初始化 */
    OSInit(&err);

    /* 创建启动任务 */
    OSTaskCreate((OS_TCB     *)&AppTaskStartTCB,
                 (CPU_CHAR   *)"App Task Start",
                 (OS_TASK_PTR ) AppTaskStart,
                 (void       *) 0,
                 (OS_PRIO     ) 3,
                 (CPU_STK    *)&AppTaskStartStk[0],
                 (CPU_STK_SIZE) APP_TASK_START_STK_SIZE / 10,
                 (CPU_STK_SIZE) APP_TASK_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);

    /* 启动多任务调度 */
    OSStart(&err);

    while (1) {}  // 不应到达此处
}

/* 启动任务：创建其他任务后自删除 */
static void AppTaskStart(void *p_arg)
{
    OS_ERR err;
    (void)p_arg;

    OSTaskCreate((OS_TCB     *)&AppTaskGPIOTCB,
                 (CPU_CHAR   *)"App Task GPIO",
                 (OS_TASK_PTR ) AppTaskGPIO,
                 (void       *) 0,
                 (OS_PRIO     ) 4,
                 (CPU_STK    *)&AppTaskGPIOStk[0],
                 (CPU_STK_SIZE) APP_TASK_GPIO_STK_SIZE / 10,
                 (CPU_STK_SIZE) APP_TASK_GPIO_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);

    OSTaskDel((OS_TCB *)0, &err);
}

/* GPIO 切换任务 */
static void AppTaskGPIO(void *p_arg)
{
    OS_ERR err;
    (void)p_arg;

    while (DEF_TRUE) {
        HAL_GPIO_WritePin(Y0_GPIO_Port, Y0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(Y2_GPIO_Port, Y2_Pin, GPIO_PIN_SET);
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);

        HAL_GPIO_WritePin(Y0_GPIO_Port, Y0_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(Y2_GPIO_Port, Y2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 500, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);
    }
}

8.2 关于 __disable_irq()

HAL_Init() 内部会调用 HAL_InitTick() 配置 SysTick 并使能其中断。理论上如果 SysTick 中断在 OSInit() 之前触发，OS_CPU_SysTickHandler() 会访问未初始化的 UCOS3 变量导致 HardFault。

实际测试中，从 HAL_Init() 到 OSInit() 之间的执行时间极短（微秒级），SysTick 的首次中断（1ms 后）几乎不可能在这个窗口触发，因此不加 __disable_irq() 通常也能正常运行。

作为防御性编程，可以在 main() 最开头加 __disable_irq()，OSStart() → OSStartHighRdy() 会在启动第一个任务时执行 CPSIE I 开中断。这不是必须的，但推荐加上。

九、踩坑总结

问题 现象 原因 解决
FPU 未使能 PendSV 上下文切换时 HardFault IAR 开启了 FPU 但 startup 文件没有使能 CPACR Reset_Handler 中写 CPACR 使能 CP10/CP11
PendSV_Handler 链接错误 上下文切换异常 C 包装函数破坏异常返回流程 用汇编重定向，NOROOT(2) 对齐
CPU_TS_TmrRd 未定义 链接报错 Error[Li005] 时间戳功能需要该函数 用 DWT CYCCNT 实现
字面量池对齐警告 Warning[440] / Warning[22] LDR =label 需要 4 字节对齐 NOROOT(1) 改为 NOROOT(2)

参考