# TCP2UART 项目技术实现（裸机迁移基线）

## 一、目标

当前分支 `baremetal-r8` 的目标不是一次性完成全部业务逻辑重写，而是先把工程基线切换到适合 `STM32F103R8T6` 的裸机方向，为后续继续开发提供统一入口。

本阶段已经完成或约束如下：

1. MCU 目标统一为 `STM32F103R8T6 / STM32F103xB`
2. `CubeMX IOC` 中已移除 `FreeRTOS` 中间件声明
3. 工程规划转为裸机轮询 + 中断驱动模型
4. 暂不在本阶段重写 TCP/串口业务逻辑
5. 保留现有源码作为迁移参考，后续由其他 Agent/开发者继续接力实现

## 二、硬件与资源约束

### 2.1 MCU

- 型号：`STM32F103R8T6`
- Flash：`64 KB`
- SRAM：`20 KB`
- 主频：`72 MHz`

### 2.2 主要外设

- `SPI1`：连接 `CH390D`
- `USART1`：配置串口
- `USART2`：Server 透传串口
- `USART3`：Client 透传串口
- `DMA1`：3 路 UART 收发 DMA
- `EXTI0`：CH390 中断输入
- `IWDG`：独立看门狗

### 2.3 当前引脚分配

| 引脚 | 功能 | 用途 |
|------|------|------|
| PA2 | USART2_TX | Server 透传串口 |
| PA3 | USART2_RX | Server 透传串口 |
| PA4 | SPI1_NSS | CH390D 片选 |
| PA5 | SPI1_SCK | CH390D SPI 时钟 |
| PA6 | SPI1_MISO | CH390D SPI 数据输入 |
| PA7 | SPI1_MOSI | CH390D SPI 数据输出 |
| PA9 | USART1_TX | 配置串口 |
| PA10 | USART1_RX | 配置串口 |
| PB0 | EXTI0 | CH390D INT |
| PB1 | GPIO_Output | CH390D RESET |
| PB10 | USART3_TX | Client 透传串口 |
| PB11 | USART3_RX | Client 透传串口 |
| PC13 | GPIO_Output | 状态 LED |
| PD0/PD1 | HSE | 8MHz 外部晶振 |

## 三、为何从 FreeRTOS 迁移到裸机

`STM32F103R8T6` 的 RAM 只有 `20KB`。当前工程在引入如下组件后，链接空间明显不足：

1. `FreeRTOS` 内核
2. `CMSIS-RTOS V2` 包装层
3. 多任务栈
4. `lwIP + socket/netconn` OS 抽象层
5. 多路 `StreamBuffer / Semaphore / Mutex`

此前编译已经证明：

1. 源码层报错可修复
2. 统一 `R8` 型号后仍然在链接阶段失败
3. 主要瓶颈是 `RAM + Flash` 同时偏紧

因此本项目后续建议的主方向为：

1. 去掉 `FreeRTOS`
2. 去掉 `CMSIS-RTOS V2`
3. 避免依赖 `lwIP socket/netconn`
4. 采用裸机主循环 + DMA/IDLE/EXTI 中断驱动
5. 网络侧改为更贴近资源受限场景的实现模型

## 四、裸机架构目标

### 4.1 总体分层

```text
+--------------------------------------------------+
| Application State Machine                        |
| config / server link / client link / watchdog    |
+--------------------------------------------------+
| Transport Scheduler                              |
| main loop polling + event flags + timeout scan   |
+--------------------------------------------------+
| Network Interface                                |
| CH390 event polling / packet rx-tx dispatch      |
+--------------------------------------------------+
| Peripheral Drivers                               |
| UART DMA+IDLE / SPI / GPIO / EXTI / Flash        |
+--------------------------------------------------+
| STM32 HAL / CMSIS                                |
+--------------------------------------------------+
```

### 4.2 执行模型

不再使用任务调度器，改为以下模型：

1. `ISR` 只做最小事件置位与 DMA 状态更新
2. 主循环统一处理事件、超时、状态机推进
3. UART RX 继续依赖 `DMA + IDLE`
4. UART TX 可保留 `DMA`
5. CH390 中断只置位 `netif_pending`
6. 网络协议处理在主循环中推进

### 4.3 事件源

建议保留以下裸机事件位：

```c
typedef enum {
    EVENT_NONE                = 0x00000000u,
    EVENT_CH390_INT           = 0x00000001u,
    EVENT_UART1_RX_IDLE       = 0x00000002u,
    EVENT_UART2_RX_IDLE       = 0x00000004u,
    EVENT_UART3_RX_IDLE       = 0x00000008u,
    EVENT_UART2_TX_DONE       = 0x00000010u,
    EVENT_UART3_TX_DONE       = 0x00000020u,
    EVENT_NET_TIMER_1MS       = 0x00000040u,
    EVENT_LINK_RETRY          = 0x00000080u,
    EVENT_CONFIG_PENDING      = 0x00000100u,
} app_event_t;
```

这些事件位建议通过 `volatile uint32_t g_app_events` 或一个轻量原子位图维护。

## 五、建议的软件模块拆分

### 5.1 保留模块

以下模块可继续保留，但需要去除 RTOS 依赖：

1. `App/config.c`
2. `App/flash_param.c`
3. `App/tcp_server.*`
4. `App/tcp_client.*`
5. `App/uart_trans.*`
6. `Drivers/CH390/*`
7. `Drivers/LwIP/*` 或后续替代网络栈

### 5.2 需要改造的核心模块

1. `Core/Src/main.c`
2. `Core/Src/stm32f1xx_it.c`
3. `Core/Src/usart.c`
4. `Core/Src/dma.c`
5. `Core/Src/freertos.c`：后续应移除出构建或清空为兼容壳
6. `Core/Inc/FreeRTOSConfig.h`：后续可移除出工程
7. `Drivers/LwIP/port/sys_arch.c`：若完全去 OS，应停止使用该移植层
8. `Drivers/LwIP/src/include/arch/sys_arch.h`

### 5.3 建议新增的裸机模块

建议后续新增：

1. `App/app_scheduler.c/.h`
   - 统一处理事件位
   - 驱动周期任务
   - 执行状态机推进

2. `App/app_net.c/.h`
   - 网络初始化
   - CH390 事件分发
   - 链路保活/重连

3. `App/app_uart.c/.h`
   - UART DMA/IDLE 收发整合
   - 与网络方向的缓冲协调

4. `App/app_time.c/.h`
   - 基于 `SysTick` 的毫秒计时
   - 软件超时管理

## 六、裸机下的关键技术决策

### 6.1 延时与时间基准

建议统一使用：

1. `SysTick 1ms` 全局时基
2. 禁止在主业务路径使用长阻塞 `HAL_Delay`
3. 超时逻辑统一基于 `tick_now - tick_start`

示例：

```c
uint32_t app_now_ms(void);
bool app_is_timeout(uint32_t start, uint32_t timeout_ms);
```

### 6.2 UART 接收模型

保持 `DMA + IDLE` 是合理的，原因：

1. 可降低 CPU 占用
2. 适合串口透传场景
3. 便于在裸机下维持较高吞吐

建议 UART RX 流程：

1. DMA 持续接收至环形或双缓冲
2. IDLE 中断触发“本帧结束”
3. ISR 只记录长度与事件位
4. 主循环消费数据并决定转发方向

### 6.3 UART 发送模型

建议继续使用 `DMA TX`：

1. 发送启动在主循环中执行
2. DMA 完成中断只清 busy 标志并置 `TX_DONE` 事件
3. 发送缓冲统一由应用层管理

### 6.4 CH390 访问模型

裸机下不再需要 `mutex`，但仍需保证上下文一致性：

1. ISR 内不要执行复杂 SPI 事务
2. EXTI 仅置位 `EVENT_CH390_INT`
3. 所有 CH390 SPI 读写都在主循环中完成
4. 若必须与 DMA 回调共享状态，使用短临界区保护

### 6.5 网络栈路线

这里需要后续 Agent 决定最终实现路线，建议二选一：

1. `lwIP RAW API + NO_SYS=1`
   - 优点：仍保留成熟 TCP/IP 栈
   - 缺点：迁移复杂度较高，需要重写当前 `socket/netconn` 依赖

2. 基于现有 CH390 资料，评估是否存在更轻的直接 socket/简化协议接口
   - 优点：可能进一步减小资源占用
   - 缺点：功能边界和维护成本需重新评估

当前更推荐的长期路线是：

`lwIP RAW API + NO_SYS=1`

因为这条路线与现有 CH390 + 以太网驱动结构更连续。

## 七、主循环设计建议

建议采用固定骨架：

```c
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();
    MX_DMA_Init();
    MX_IWDG_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    MX_USART3_UART_Init();
    MX_SPI1_Init();

    app_time_init();
    app_uart_init();
    app_net_init();
    app_config_init();

    while (1)
    {
        app_poll_events();
        app_process_config();
        app_process_uart_links();
        app_process_network();
        app_process_timeouts();
        app_feed_watchdog();
    }
}
```

设计原则：

1. 所有步骤可重入或幂等
2. 每轮主循环不可长时间阻塞
3. 网络与串口处理都要支持“分段推进”

## 八、建议的状态机拆分

### 8.1 TCP Server 链路

```text
IDLE -> LISTEN -> CONNECTED -> CLOSING -> LISTEN
```

### 8.2 TCP Client 链路

```text
IDLE -> RESOLVE/CONFIG -> CONNECTING -> CONNECTED -> RETRY_WAIT -> CONNECTING
```

### 8.3 配置口

```text
IDLE -> RX_FRAME_READY -> PARSE -> EXECUTE -> RESPOND -> IDLE
```

### 8.4 CH390 网口

```text
RESET -> INIT -> LINK_CHECK -> RUNNING -> ERROR_RECOVER -> INIT
```

## 九、内存预算建议

以 `STM32F103R8T6` 为目标，后续实现应尽量遵循：

### 9.1 推荐 RAM 预算

| 项目 | 建议值 | 说明 |
|------|--------|------|
| 启动栈 | 1 KB | `startup` 保留 |
| C Heap | 0 | 默认关闭 |
| UART1 RX/TX | 384 B | 配置口 |
| UART2 RX/TX | 1 KB | 透传链路 |
| UART3 RX/TX | 1 KB | 透传链路 |
| 网络收发缓存 | 2-4 KB | 视协议栈路线而定 |
| 参数/状态结构 | < 2 KB | 控制状态 |

### 9.2 原则

1. 避免动态分配
2. 优先静态缓冲 + 明确大小
3. 单向链路缓冲优先复用
4. 所有大缓冲区要在文档中登记

## 十、当前已完成的工程侧修改

本分支当前已经完成：

1. `R8/xB` 型号统一
2. MDK 启动文件切换到 `startup_stm32f103xb.s`
3. `IOC` 中移除 `FREERTOS` 中间件声明
4. `PendSV/SVCall` 不再作为 RTOS 中断入口保留
5. `Heap/Stack` 的工程默认值收缩到更适合 `R8`

## 十一、后续 Agent 接手时应优先处理的事项

### 11.1 工程配置层

1. 从 `MDK-ARM/TCP2UART.uvprojx` 中移除 `FreeRTOS` 源文件组
2. 从包含路径中移除 `CMSIS_RTOS_V2` 和 `FreeRTOS` 路径
3. 视需要移除 `Core/Src/freertos.c`
4. 视需要移除 `Core/Inc/FreeRTOSConfig.h`

### 11.2 代码层

1. 将所有 `osThreadNew`、`vTaskDelay`、`xStreamBuffer*`、`xSemaphore*`、`xMutex*` 调用替换为裸机实现
2. 将 `lwIP` 从 `NO_SYS=0` 路线迁移到裸机可用路线
3. 重写 `CH390` 事件处理为主循环驱动
4. 重写 UART 透传调度逻辑为状态机

### 11.3 风险点

1. 当前 `socket/netconn` 方案不能直接脱离 OS 使用
2. `sys_arch` 相关移植层最终应被清退
3. 原来依赖任务切换“自然解耦”的路径，迁移到裸机后必须明确状态和时序边界

## 十二、交接说明

当前分支适合作为“裸机迁移起点”，但不是最终可编译成品。它的价值在于：

1. 目标器件与工程元数据已经统一
2. `CubeMX` 方向已经从 `FreeRTOS` 转向裸机
3. 技术实现文档已明确后续重构路线

接下来的工作重点应由后续 Agent 在此基线上继续完成逻辑代码迁移。