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STM32F4-Base/docs/架构设计/软件架构与运行时规格.md
T
wandering1 2525c2d948 docs(104): 端口口径统一成「工厂默认」,登记「改后立即重 bind」待办
用户裁定两条:① 剩余裸写端口的地方加「工厂默认」限定词,不改固件行为;
② 生效语义按需求口径「保存即生效」定,现实现(端口下次重 bind 才生效)是
要改的一侧 → 建任务登记,本笔不动代码行为。

限定词(24 处 / 17 文件):AGENTS 数据主线、App/protocol/README、根 README
文档索引、Src/freertos.c 三处任务注释、docs/README、项目启动顺序管理、存储
架构说明、软件架构与运行时规格(2)、RAM 使用分析、产品需求设计文档(5)、
项目架构总览(3)、test/host/README、iec104_master 流程注释、IEC104 上行设
计说明、继电保护功能复现规划。配图两张同批重跑:gen_arch_svg.py 与
gen_memory_svg.py(脚本与产物同一笔)。

两处陈旧计数(都做过双源核证):
- 测试开发标准流程 像素层「60 内容页」→ 内容页黄金参考 66 张(64 页);
  双源 = simulator/tests/ref/shot_*.bin 实数 66 与 check_content_pages.py
  的 PAGES 66 条(含两个 _p2)。
- .pre-commit-config.yaml 的 uinav-selftest 注释「18 张黄金参考」→ 写成
  「接线当时 18 张、现 66 张」:git log -S 定到 6a904c1b(2026-10-25),那
  天 ref 目录确实 18 张,写时为真,但它描述的是钩子现有行为,属当前态。

口径修正与登记:
- 页面扩充详细方案「通讯设置 = 无配置模型(端口与 CA 都是 #define)」→ 标
  「当时」,并写明现已在 /config.ini 的 [comm] 段可配、UI 通讯设置页可改。
- 产品需求 §通讯配置:删掉「改后需重启生效」这句把两件事混为一谈的话,改成
  需求要求「保存即生效」+ 现实现(公共地址重启、端口下次重 bind)+ 指向登记簿。
- docs/任务规划/登记簿.md §1 新增「104 端口改后立刻重 bind」:含隐性耦合
  —— .serialtest/config.json 的必检锚点写死 listening on 2404,端口一改串口
  回归必假失败;改行为时要么锚点只查 listening on,要么由脚本注入端口。

复扫(旧形态归零判据)剩 20 处未带限定词,逐条定性为刻意不改:默认值定义处、
出厂模板与断言、usage 与 argparse default、UI 黄金参考显示值、台架主站地址
(同数不同义)、串口锚点、叙事句、引用关系图坐标。逐条理由见一次性台账。

门禁:check_doc_links --sections-strict 对 16 篇改动 .md 逐个 rc=0;
check_mermaid --all 31 文件 62 围栏新发 0;check_nested_comment --all 449
文件新发 0;check_bom_drift --all 99 个名单内文件无漂移;
check_generated_fresh PASS(25 生成器 / 21 一致 / 4 只减不增基线);字节体检
无新增 BOM / CR / U+FFFD / 行尾空格(三连空行与 HEAD 逐项相同 = 存量)。
/keil-build 0 错 0 警,Program Size Code=246720 RO=29836 RW=2052 ZI=149708
与凭证同码:本笔只碰注释与配图文字,无固件行为变更。
2026-10-30 15:40:27 +08:00

12 KiB
Raw Blame History

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。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 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

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。

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 §4.5。

3. 就绪屏障(Event Flags)

就绪屏障(Event Flags)

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(bit03)表达持久状态,任何消费者都不许消费——必须 osFlagsWaitAny|osFlagsNoClear。命令位(bit48)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

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<br/>(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<br/>→ 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)<br/>→ 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 §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。