这是我在电子科技大学（UESTC）大三上学期做的综合课程设计第三期的作品。根据课程设计的要求，在第三期设计中，我们要完成以下任务
- 设计或移植一个操作系统
- 实现至少两个硬件的驱动
- 完成一个能与用户交互的软件的开发
因此我在选型时采用了较为熟悉的STM32，考虑到经费问题以及实际需求，我选用了f103vct6这块片子，但是当时完全没想到对内存的需求，导致后来设计的时候，256k的flash成为了一个限制开发的瓶颈。
然后是交互的部分，我认为如果要既简单又能体现出开发的难度，一块带触摸的LCD屏应该是最为合适的选择，并且触摸屏在与用户交互时也是一个非常自然的设备。
关于操作系统移植，我其实并没怎么对比，直接选用了简单的uC/OS II，虽然任务数有限制，但是内核小，而且对于这个简单的任务也不需要用到很多任务，所以没怎么思考就选择了移植。
关于用户界面，我经过仔细调查后发现相应的图形库其实并没有多少选择，不论是emWin还是STemWin还是uCGUI本质上其实都是segger公司的库，api和实现的功能方面也是大同小异，所以我直接选择了uCGUI3.95版本，因为uCGUI在4.0版本以后就不提供源码了，所以选择了这个“较新”的版本。
关于软件设计，在这方面我纠结了很久之后决定做一个计算器，实用性较高而且与用户交互也较为自然，唯一的难点就在代码的编写上。在这方面以前有过简单的计算器的编写经验，这次没花多久就把计算器的代码写完了。
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├── CMSIS
│ ├── core_cm3.c
│ ├── core_cm3.h
│ ├── startup
│ ├── startup_stm32f10x_hd.s
│ ├── stm32f10x.h
│ ├── system_stm32f10x.c
│ └── system_stm32f10x.h
├── FWlib
│ ├── inc
│ └── src
├── Output
├── PROJECT
├── README.md
├── Test
│ ├── CMakeLists.txt
│ ├── calculator.c
│ ├── calculator.h
│ ├── catch.hpp
│ ├── cmake-build-debug
│ ├── fpconv.c
│ ├── fpconv.h
│ ├── powers.h
│ ├── stack.c
│ ├── stack.h
│ ├── test_calc.cpp
│ ├── test_dtoa.cpp
│ └── test_main.cpp
├── code
│ ├── Calculator
│ ├── Font
│ ├── GUI
│ ├── PORTS
│ ├── SOURCE
│ ├── TFT
│ ├── UCOSII
│ ├── application
│ ├── driver
│ ├── header
│ ├── stm32f10x_it.c
│ ├── system
│ ├── uCGUI
│ └── user
├── listing
└── picture
├── calc_frame.jpg
├── start_frame.jpg
└── test_result.png
CMSIS即微控制器软件接口标准(CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard) 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。 使用CMSIS，可以为处理器和外设实现一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用、缩短微控制器新开发人员的学习过程，并缩短新设备的上市时间。这部分代码由STM32官方提供。
FWlib即硬件固件库(FWlib: Firmware library)是由STM32官方提供的硬件库，包含上述inc文件夹中的.h文件以及src文件夹中的.c文件，主要用于存放STM32一些寄存器的定义，以及底层驱动函数。
Output文件夹中存放Keil5 在编译工程中产生的.o的目标文件以及 .d .crf的调试文件。
Listing文件夹中存放Keil5 在预编译后产生的文件。
Test文件夹主要用于存放代码测试所用到的源代码以及测试代码。
code文件夹用于存放本次工程编写的代码。文件构成如下
- Calculator文件夹用于存放计算器所涉及的代码
- Font文件夹用于存放自定义的字体代码
- GUI文件夹中的Config文件夹存放gui的配置，触摸屏gui的配置以及LCD的配置。为了节省编译时间，本次课程设计预编译了自己的库，所以GUI_inc文件夹需要存放本次工程所用到的函数的头文件。LCDDriver存放LCD的驱动文件。
- header文件夹中存放系统的头文件
- PORTS文件夹中存放uC/OS的接口文件
- SOURCE文件夹中存放uC/OS的核心代码文件
- system文件夹中存放STM32的启动文件
- TFT文件夹中存放LCD屏幕的api文件以及触摸屏的驱动和api
- uCGUI文件夹中存放uCGUI 3.95的所有源代码
- user文件夹中存放自定义的是stm32配置文件以及主函数入口和gui程序入口
- application文件夹中存放编写的app，包括计算器和更多信息页面的代码
移植操作系统之前，我们需要先看一下uC/OS的代码构成，其构成如下
通过观察我们可以发现与硬件底层相关的只有图中标为Cortex M3 Port的部分，而另外BSP的部分我们可以直接舍弃，因为我代码中没有直接与硬件交互的部分，都是通过操作系统来调用底层硬件。在查找了许多网上的资料后，我大致总结了在STM32上移植uC/OS操作系统的几个要点。要点如下
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在os_cpu_a.asm中我们需要修改其中的PendSV_Handler，然后需要把stm32f10x_it.c中的PendSV_Handler注释掉
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需要根据板子上的晶振修改SysTick_Init()函数以及SysTick_Handler()函数
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修改os_cpu_c.c中的关于systick的配置初始化及中断处理部分
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注释掉os_cpu.h中以上修改过的函数部分
在操作系统移植并测试完成后就涉及到了图形界面的设计，因为市场上已经有了非常成熟的图形库，所以我选择了移植图形库。在图形库的选择方面，市面上的图形库其实大同小异，比如ucgui，emwin，stemwin其实都是源于segger公司开发的同一个图形库，所以我选择了ucgui。并且由于ucgui在4.0版本后就不提供源代码了，而是以库文件的形式提供，所以在版本选择方面，我选择了3.95这个“较新”的版本。
在移植这个图形库时，对与源代码的改动主要集中在GUICon.h ,GUITouchConf.h,LCDConf.h,GUI_X.C,LCDNull.C这五个文件中。从文件名我们可以看出这五个文件分别对应了gui的配置，触摸屏的配置，lcd的配置，gui和操作系统之间的api以及lcd的相应api。详细改动如下
#define GUI_OS (1) /* 开启多任务支持 */
#define GUI_SUPPORT_TOUCH (1) /* 开启触摸支持 */
#define GUI_SUPPORT_UNICODE (1) /* 开启Unicode支持 */
#define GUI_TOUCH_AD_LEFT 290 /* 设置触屏最左侧的ad值 */
#define GUI_TOUCH_AD_RIGHT 3730 /* 设置触屏最右侧的ad值 */
#define GUI_TOUCH_AD_TOP 3850 /* 设置触屏最上侧的ad值 */
#define GUI_TOUCH_AD_BOTTOM 220 /* 设置触屏最下侧的ad值 */
#define GUI_DEFAULT_FONT &GUI_Font8x16 /* 设置GUI默认字体为8*16 */
#define GUI_ALLOC_SIZE 1024*5 /* 设置GUI可动态分配的内存大小 */
#define GUI_WINSUPPORT 1 /* 开启GUI的窗口支持 */
#define GUI_SUPPORT_MEMDEV 0 /* 因为没用sd卡，所以关闭内存设备支持 */
#define GUI_SUPPORT_AA 1 /* 开启抗锯齿 */#define LCD_XSIZE (400) //配置TFT的水平分辨率
#define LCD_YSIZE (240) //配置TFT的垂直分辨率
#define LCD_CONTROLLER (-2) //TFT控制器的名称
#define LCD_BITSPERPIXEL (16) //每个像素的位数
#define LCD_FIXEDPALETTE (565)//调色板格式
#define LCD_SWAP_RB (0) //红蓝反色交换我并没有选择在这个文件中进行修改，因为打算把触摸屏所涉及到的函数放在同一个文件中进行编写。相对应的代码可以在 TFT 文件夹中找到，分别在 touch.c 和 touch.h 这两个文件中，我在这里简要介绍一下需要修改的宏定义
#define GUI_TOUCH_SWAP_XY 0 //设置是否交换XY
#define GUI_TOUCH_MIRROR_X 0 //是否镜像X
#define GUI_TOUCH_MIRROR_Y 0 //是否镜像Y
#define GUI_TOUCH_AD_LEFT 3601 //触摸屏最左侧的AD值
#define GUI_TOUCH_AD_RIGHT 393 //触摸屏最右侧的AD值
#define GUI_TOUCH_AD_TOP 273 //触摸屏最上侧的AD值
#define GUI_TOUCH_AD_BOTTOM 3671 //触摸屏最下侧的AD值需重写以下函数
void GUI_X_Init(void)
int GUI_X_GetTime(void)
void GUI_X_Delay(int ms)
void GUI_X_Log (const char *s) { GUI_USE_PARA(s); }
void GUI_X_Warn (const char *s) { GUI_USE_PARA(s); }
void GUI_X_ErrorOut(const char *s) { GUI_USE_PARA(s); }需根据硬件重写以下函数
void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y)
void LCD_L0_DrawHLine(int x0, int y, int x1)
void LCD_L0_DrawVLine(int x, int y0, int y1)
void LCD_L0_FillRect(int x0, int y0, int x1, int y1)
void LCD_L0_DrawBitmap(int x0, int y0,
int xsize, int ysize,
int BitsPerPixel,
int BytesPerLine,
const U8* pData, int Diff,
const LCD_PIXELINDEX* pTrans)
void LCD_L0_SetOrg(int x, int y)
int LCD_GetErrStat(void)
void LCD_ClrErrStat(void)
int LCD_GetErrCnt (void)
void LCD_Off(void) {}
void LCD_On(void) {}
int LCD_L0_Init(void)
int LCD_L0_CheckInit(void)
void LCD_L0_ReInit(void)
unsigned LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y)
void LCD_L0_XorPixel(int x, int y)
void LCD_L0_SetPixelIndex(int x, int y, int ColorIndex)
void * LCD_L0_GetDevFunc(int Index)在修改了以上的代码后，图形界面就可以正常显示了。
本次的计算器程序分为两大部分，分别是图形界面以及表达式求值模块。
因为嵌入式平台的特殊性，如果不能提前获得图形界面样式，而靠一次次的烧录调试的话将会非常消耗时间。所以这次在制作图形界面时，我使用了seggar公司的GUIBuilder，依靠这个软件，我们可以先设计好相应的界面，然后在生成对应的c代码，节省了大量的时间。
该模块对应的文件在Calculation文件夹中，本次课程设计最困难的地方也在这里。在这个计算器的设计中应用了编译原理的部分知识，以及一些c的小技巧。
首先输入的表达式将由词法分析函数分解成一个token序列（token之间的顺序将被保持），并同时检查词法是否合法。然后使用调度场算法将中缀表达式转换为后缀表达式（逆波兰表达式）。最后在操作符入后缀栈时直接进行计算。
- 使用调度场算法所带来的一个优点就是没有单独的求值步骤，每当操作符入栈时，前面被压入的表达式的值就会被计算。也就是说整个表达式被转换为后缀表达式的同时，后缀栈中就应该只剩下一个元素，也就是表达式的结果。这使得表达式是否存在问题非常容易得知（只要后缀表达式转换完毕，栈中元素数量不为1，就代表表达式本身存在问题），同时也使得求值的过程非常迅速。
在设计这个计算器所用的栈时，我决定将栈中的元素存储为**（void*）**类型，这就意味着栈上可以存储任意类型的元素，包括自定义的类型，也就是实现了一个 Untyped Stack。然后实现了栈的大部分操作。
可能你会觉得奇怪，浮点数转字符串为什么会变成一个难点，因为最简单的sprintf就可以做到浮点数字符串的转换。很遗憾的是由于这次代码比较多，我不得不使用keil的microlib来缩小代码体积，而microlib中的sprintf函数没有实现浮点数转字符串的功能，任何浮点数的输出都会变成0.0。所以我必须自己实现一个足够精准的浮点数转字符串的函数。
在这次的测试工作中，我没有选择老牌的测试框架，比如googletest，因为这样的测试框架太大了，有很多这次课程设计中我用不到的功能，比如mock什么的，而且移植起来也比较麻烦。所以我将目光投向了刚出了没多久的catch2，这是一个header-only的测试框架，只需要包含一个头文件就可以同时支持TDD和BDD。
本次所有测试的代码都可以在 Test 那个文件夹中找到。
- dota() random int input test (10000 times)
- dota() random double input test (10000 times)
- Calc simple expression test
- Calc special operation expression test
- Calc triangle function test
- Calc complex expression test
- Calc error or exception test
经过valgrind的多次测试，整个计算模块。包含计算函数，计算所用栈，浮点数字符串转换函数等所有存在手动malloc的函数在内，没有发生任何内存泄漏。篇幅有限，不能放出全部测试，其中两次测试如下：
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测试用例为： 2*3*(4+5)
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测试用例为： (abs(sin(30)*4-8)+3)/2-1
使用valgrind里的callgrind并结合kcachegrind来找出程序的性能瓶颈，修改代码，实现调优。
- callgrind 使用
- Kcachgrind界面
- 程序调用图
通过观察程序的call graph，对called times进行排序以及观察某一函数占用整个程序运行时cpu的百分比，我们可以很轻松的找出程序性能的瓶颈。比如上面这个例子就是因为源程序没有存储上次比较的结果，导致重复调用相同的strncmp()函数，在进行修改后，函数调用次数下降了52%，对cpu的占用下降了2.99%，这是其中一个较为容易的调优例子。
在整个程序调优以后，内存占用相较原来下降了20%左右，运行时间下降了15%左右。
React
Typescript
Django
Laravel
Facebook
Microsoft
Google
Alibaba
D3
Tencent