# STM32F4-Base 软件架构与运行时规格 > **文档定位**:全仓**系统运行时架构(软件侧)**与**工具链 / 工程约束**的权威表档。 > 来源链:`docs/产品需求/产品需求设计文档.md` v1.9 原 §3/§4 → 《系统架构与硬件规格》 > →(2026-10-30 按"软件 / 硬件不混排"拆分)本档 = 软件侧;硬件侧见 > [`硬件规格与能力边界.md`](硬件规格与能力边界.md)。需求与验收口径仍在需求档。 > 与 [`docs/架构设计/项目架构总览.md`](项目架构总览.md) 的分工:总览是**叙述性全景**, > 本档是**完整口径表**——就绪屏障位表(bit0~8)、线程间通信机制表、启动时序图以 > **本档为准**,两处冲突以本档为准并回改总览。 > **版本**:v1.0 **日期**:2026-10-30 ## 1. 六层分层架构 ![STM32F4-Base 项目分层架构](../images/项目架构总览.svg) > 上图由 `tools/arch_diagram/gen_arch_svg.py` 生成(手绘 SVG,零连线交叉);改架构后编辑脚本顶部 > `ROWS` 数据重跑即可,源数据与下表一致。 分层原则:**上层只依赖相邻下层(单向)**;**① 业务层为顶层**(仅 `net_cfg`,被 UI 与基础服务共用), **② UI 层与 ③ 基础服务层同级并列**。 | 层 | 目录 | 职责 | 关键模块 | |---|---|---|---| | ① 业务层 | `Drivers/BSP/NETCFG/` | 顶层共享配置(被 UI 与基础服务共用) | `net_cfg` | | ② UI 层 | `Drivers/BSP/UI/` | LVGL 界面(与 PC 模拟器共用源码) | `ui_port` `ui_menu` `ui_menu_view` `ui_menu_tab` `ui_content_page` `ui_page_*` `ui_net_sink` `ui_font_cn_12` `ui_deco` | | ③ 基础服务层 | `App/`、`Drivers/BSP/NET/lftpd/` | 应用侧服务、采集算法与协议编排 | `app_main` `sys_events` `app_cfg` `task/*` `algo/*`(语义取数与有效性~保护判据)`protocol/iec104/*` `log/soe_store` `lftpd` `time_sync` | | ④ 中间件层 | `Drivers/BSP/NET/`、`Lib/`、`App/util/` | 通用库 / 协议栈 | `net_socket` `net_select` `FatFs` `nand_ftl`(dhara) `LVGL` `sys_clock` | | ⑤ 驱动层 | `Drivers/BSP/{CH395F,GD5F2GQ5UE,TPAFE5160,SD2506,RS485}/` | 芯片寄存器 / 时序 / 中断 | `ch395f` `gd5f2gq5ue` `tpafe5160` `sd2506` `rs485` | | ⑥ 内核 / HAL | `Middlewares/`、`Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/`、`Drivers/CMSIS/` | 任务调度、外设 HAL、启动 | FreeRTOS V10.3.1 · STM32 HAL · CMSIS | | ⑦ 硬件 | — | STM32F407ZGTx @168MHz | SPI1 / SPI2 / I2C1 / UART4 / USART1 / DMA / GPIO / TIM7 | > 表中硬件行只到"层"口径;**器件与引脚级规格见 [`硬件规格与能力边界.md`](硬件规格与能力边界.md)**。 ## 2. 运行时任务模型 **九个** FreeRTOS 任务(`Src/freertos.c` 创建,任务体在 `App/task/`、`App/sync/`): | 任务 | 栈(words / B) | 优先级 | 职责 | |---|---|---|---| | `defaultTask` | 1280 / 5120 | Normal | FatFS 挂载(无卷 `f_mkfs`)→ 卷健康探针/自愈 → `net_cfg_load` + 定值/运行参数/通讯参数装载(**配置引擎属主**)→ 置 `STORAGE_READY` → 日志落盘(唯一写者)+ 2 s 配置轮询 + 各模块脏位落盘(`prot_set` / `run_par` / `comm`)+ SOE 排空 + LED 闪烁 + 栈水位观测 + **看门狗唯一喂狗者** | | `netTask` | 960 / 3840 | Normal | 等存储 → `net_stack_bring_up()` → 置 `NET_READY` → `net_poll` 轮询 + CH395F 操作串行化(消息队列执行者) | | `ftpTask` | 1024 / 4096 | Normal | 等网络**且**存储(`WaitAll`)→ `lftpd_start("/", 21)` → 单客户端会话循环 | | `testTask` | 2048 / 8192 | BelowNormal | 测试套件入口(`test/board/test_config.h` 选择)。**产品构建不创建**(未选套件时立即 `vTaskDelete` 回收其 8 KB CCM 栈) | | `uiTask` | 4096 / 16384 | BelowNormal | 等网络 → `ui_port_init`/`ui_menu_init`/`ui_standby_init`(空闲 60 s 切待机屏)/`ui_net_sink` → 10 ms 刷新 + 数据注入 | | `timeSyncTask` | 640 / 2560 | Normal | 等网络 → TCP :8888 收 PC 推送时间 → 写 RTC | | `adcTask` | 640 / 2560 | AboveNormal | **采集主线唯一消费者**:每拍 `adc_input_poll()`(TPAFE 快照 + ADC1 DMA 帧)→ `adc_health` 有效性 → `phasor_run()` 相量 → `freq_run()` 测频 → 每 200 ms `meas_tick()` 发布遥测快照 | | `iec104Task` | 640 / 2560 | Normal | 等网络 → TCP 工厂默认 :2404 监听 → 104 链路状态机(总召/变位/周期/遥控/定值/对时)+ 断链重听 + 网络代次自愈 | | `protectTask` | 512 / 2048 | Normal | **20 ms 判据节拍**:采样故障闭锁判定 → 定值校验和巡检 → `prot_elm_run()` 元件判据 → 动作边沿投递 SOE(**不做 NAND I/O**) | > `idle`(128 words)/ `timer`(256 words)由 FreeRTOS 内核创建。所有任务栈从 **56 KB** `heap_4` 堆 > (CCM)分配;CCM 水位 87.9%(<92% 门禁)。 > 任务表与 `Src/freertos.c` 的 `osThreadAttr_t` 一致,由 `scripts/gen_task_table.py` 生成并门禁校验; > **栈配置与实测余量**见 `../产品需求/产品需求设计文档.md` §7.3,改栈前后必须重跑 `scripts/stack_report.py`。 > > ⚠ **节拍同源**:TIM3 更新事件(1 kHz)同时触发 TPAFE `CONVST` 与(经 TRGO)ADC1 一轮 9 通道扫描, > 并在 ISR 内唤醒 `adcTask`——采集节拍与任务唤醒**不允许**各自计时。 > ⚠ **ADC1 必须在挂 DMA 的瞬间处于关闭态**:`app_main_init()` 步骤 4b-pre 的 `adc1_disable()` 不可删、不可后移, > 否则 DMA 乒乓缓冲整体旋转 2 格(表象与"映射表写错"一致)。证据见 > [`docs/子系统设计/ADC采样节拍设计说明.md`](../子系统设计/ADC采样节拍设计说明.md) §4.5。 ## 3. 就绪屏障(Event Flags) ![就绪屏障(Event Flags)](../images/就绪屏障.svg) 用 CMSIS-RTOS2 Event Flags(`sys_evtHandle`)表达"子系统就绪",取代魔法延时与全局标志轮询。 生产者与消费者互不知晓,只经事件组解耦;新增子系统只需定义新 bit + 各自 wait/set。 | 位 | 名称 | 类型 | 语义 | |---|---|---|---| | bit0 | `SYS_EVT_NET_READY` | 状态位 | netTask:`net_init` + PHY 稳定完成 | | bit1 | `SYS_EVT_STORAGE_READY` | 状态位 | defaultTask:FTL/FatFS 挂载 + 配置就绪 | | bit2 | `SYS_EVT_FTP_READY` | 状态位 | ftpTask:`lftpd_start` 完成 | | bit3 | `SYS_EVT_TIMESYNC_READY` | 状态位 | timeSyncTask:首次时间同步完成 | | bit4 | `SYS_EVT_NET_RECONFIG` | 命令位 | UI:请求立即应用新网口配置 | | bit5 | `SYS_EVT_CFG_SAVE` | 命令位 | UI:网口配置保存请求(defaultTask 消费并写盘) | | bit6 | `SYS_EVT_CONSOLE_TX` | 命令位 | 控制台单写者:生产者入环形缓冲后置位 | | bit7 | `SYS_EVT_PROT_SET_SAVE` | 命令位 | 保护定值落盘请求:104 检测到定值脏后置位,defaultTask 原子写 `/prot_set.bin` | | bit8 | `SYS_EVT_RUN_PAR_SAVE` | 命令位 | 运行参数段落盘请求:104 写运行参数后置位,defaultTask 整档外科保存 | > ⚠️ **铁律**:状态位(bit0~3)表达**持久状态**,任何消费者都**不许消费**——必须 > `osFlagsWaitAny|osFlagsNoClear`。命令位(bit4~8)表达"请做一件事",必须**恰好被消费一次**(消费型等待)。 > 历史事故:就绪位被先到的等待者消费,导致 `ftpTask` 的 `WaitAll(bit0|bit1)` 永不成立、21 端口从未监听(静默)。 ## 4. 启动时序 ```mermaid sequenceDiagram autonumber participant M as main participant A as app_main_init participant K as osKernelStart participant D as defaultTask participant N as netTask participant S as adcTask / protectTask participant F as ftpTask participant U as uiTask participant I as iec104Task / timeSyncTask M->>M: HAL_Init + CubeMX 外设初始化
(SPI1/SPI2/I2C1/UART4/USART1/DMA/GPIO/TIM3/TIM7) M->>A: app_main_init() Note over A: 时间子系统优先,使后续日志带时间戳 A->>A: sd2506_init() → sys_clock_init()(墙钟基准) A->>A: rs485_init() → gd5f2gq5ue_init()(BBT 扫描) A->>A: tpafe5160_init() → adc_input_init()(语义映射自检) A->>A: 配置段注册(adc_cal / run_par / prot_set / comm)→ 定值/元件初始化 A->>A: adc1_disable() → ADC1 挂 DMA(4b-pre,顺序不可变)→ 启动 TIM3 1 kHz 节拍 A-->>M: "App init OK" M->>K: osKernelStart() K->>D: 调度 D->>D: f_mount(无卷则 f_mkfs FAT32)→ 卷探针/自愈 → 配置装载
→ 定值整表原子装载(损坏则保出厂默认 + 自检留痕) D-->>N: set SYS_EVT_STORAGE_READY S->>S: adcTask:等 TIM3 节拍 → 采集 → 相量/测频 → 200 ms 遥测快照 S->>S: protectTask:20 ms 判据(未标定/采样故障则停走) N->>N: wait STORAGE_READY(Any|NoClear)→ net_init(ip,mask,gw,mac)
→ PHY 强制 100M 全双工 → 等链路 ≤3s N-->>F: set SYS_EVT_NET_READY F->>F: wait NET_READY|STORAGE_READY(All|NoClear)→ lftpd_start("/", 21) U->>U: wait NET_READY(Any|NoClear)→ ui_port_init → ui_menu_init → ui_net_sink_start(7003) I->>I: wait NET_READY(Any|NoClear)→ TCP listen :2404(默认)/ :8888 ``` > **顺序铁律**:① 配置段注册必须**先于** `cfg_file_load`(否则 FTP 上传的段不生效); > ② `adc1_disable()` 必须在挂 DMA 之前;③ `osKernelStart` 之前禁调任何内核 API(含 `osDelay` / 队列)。 ## 5. 线程间通信 | 机制 | 对象 | 用途 | |---|---|---| | Event Flags | `sys_evtHandle` | 启动就绪屏障 + 命令位(§3) | | Message Queue | `netMsgQueue`(深度 8,`net_msg_t`) | 所有 CH395F 操作经队列**串行化**到 netTask 执行,保证 SPI 单线程访问 | | 双区 + 序号(无锁) | `phasor` 相量区、`meas` 遥测快照 | 写侧填满计算区后单字节翻转活跃索引;读者先取索引再整份拷贝,`seq` 判"是否换帧" | | SPSC 环(无锁) | `soe_store`(深度 8) | protectTask 只投递动作边沿,defaultTask 排空落盘——**保护路径零 NAND I/O** | | 脏位 + 事件位 | `prot_set` / `run_par` / `comm` | 写入方置脏;104 侧 peek 后投递事件位,配置属主(defaultTask)落盘,失败保留脏位下轮重试 | | 单字请求标志 | `prot_elm_request_reset()` | 跨上下文复归请求(104 遥控 YK11 在 iec104Task 落请求,protectTask 下一拍消费) | ## 6. 工具链与工程约束 > 本节收**构建与运行环境事实**。SDIO 无能力属硬件事实,见 > [`硬件规格与能力边界.md`](硬件规格与能力边界.md) §5 的 H5。 ### 6.1 运行时与工具链 | 项 | 值 | 说明 | |---|---|---| | RTOS | FreeRTOS V10.3.1(CMSIS-RTOS2) | HAL 时基 TIM7,tick = 1 ms;NVIC 4 位抢占,外设中断优先级 ≥5 | | 工具链 | Keil MDK-ARM v5(ARMCC v5) | 工程锁 `uAC6=0`,**不支持 armclang** | | CubeMX | 6.17.0 + STM32Cube FW_F4 V1.28.3 | 与 `.ioc` 记录一致,再生成须用此组合 | ### 6.2 工程约束 | 约束 | 内容 | |---|---| | **CubeMX 生成文件** | `Inc/`、`Src/` 中带 `USER CODE BEGIN/END` 标记;自定义代码**只能**写标记区内 | | **生成区外的定制** | 仅限 `Src/iwdg.c` 延后启动、4 个 Fault Handler 实体(`scripts/check_cubemx_survival.py` 审计兜底) | | **`osKernelStart` 前** | 禁止任何 FreeRTOS / CMSIS-RTOS API 调用 | | **BOM / 编码** | 部分源文件带 BOM(`Drivers/BSP/UI/*`、`App/task/ui_task.c`、`App/cfg/cfg_file.c`、`Lib/lv_conf.h`),被工具改写丢 BOM 会导致 ARMCC 按 CP936 解码、中文字面量编译失败 | | **新源文件** | 必须双端注册(Keil `.uvprojx` + `simulator/CMakeLists.txt`),否则不参与编译 | --- > **编号换算(原《系统架构与硬件规格》合档 → 本档)**:旧档号记裸号、不带 § 以免与本档编号混淆—— > 1.1→§1、1.2→§2、1.3→§3、1.4→§4、1.5→§5;旧 2.1 的 RTOS / 工具链 / CubeMX 三行与旧 2.5 五条工程约束 > (除 SDIO 行)并入 §6。全仓旧号引用已按本表重定向;换算只留此注,正文不再出现旧号。