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# TCP2UART 项目技术实现（裸机迁移基线）
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## 一、目标
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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。
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本阶段已经完成或约束如下：
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1. MCU 目标统一为 `STM32F103R8T6 / STM32F103xB`
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2. `CubeMX IOC` 中已移除 `FreeRTOS` 中间件声明
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3. 工程规划转为裸机轮询 + 中断驱动模型
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4. 暂不在本阶段重写 TCP/串口业务逻辑
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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
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## 二、硬件与资源约束
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### 2.1 MCU
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- 型号：`STM32F103R8T6`
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- Flash：`64 KB`
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- SRAM：`20 KB`
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- 主频：`72 MHz`
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### 2.2 主要外设
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- `SPI1`：连接 `CH390D`
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- `USART1`：配置串口
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- `USART2`：Server 透传串口
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- `USART3`：Client 透传串口
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- `DMA1`：3 路 UART 收发 DMA
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- `EXTI0`：CH390 中断输入
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- `IWDG`：独立看门狗
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### 2.3 当前引脚分配
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| 引脚 | 功能 | 用途 |
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|------|------|------|
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| PA2 | USART2_TX | Server 透传串口 |
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| PA3 | USART2_RX | Server 透传串口 |
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| PA4 | SPI1_NSS | CH390D 片选 |
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| PA5 | SPI1_SCK | CH390D SPI 时钟 |
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| PA6 | SPI1_MISO | CH390D SPI 数据输入 |
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| PA7 | SPI1_MOSI | CH390D SPI 数据输出 |
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| PA9 | USART1_TX | 配置串口 |
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| PA10 | USART1_RX | 配置串口 |
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| PB0 | EXTI0 | CH390D INT |
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| PB1 | GPIO_Output | CH390D RESET |
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| PB10 | USART3_TX | Client 透传串口 |
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| PB11 | USART3_RX | Client 透传串口 |
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| PC13 | GPIO_Output | 状态 LED |
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| PD0/PD1 | HSE | 8MHz 外部晶振 |
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## 三、为何从 FreeRTOS 迁移到裸机
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`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：
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1. `FreeRTOS` 内核
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2. `CMSIS-RTOS V2` 包装层
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3. 多任务栈
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4. `lwIP + socket/netconn` OS 抽象层
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5. 多路 `StreamBuffer / Semaphore / Mutex`
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此前编译已经证明：
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1. 源码层报错可修复
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2. 统一 `R8` 型号后仍然在链接阶段失败
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3. 主要瓶颈是 `RAM + Flash` 同时偏紧
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因此本项目后续建议的主方向为：
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1. 去掉 `FreeRTOS`
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2. 去掉 `CMSIS-RTOS V2`
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3. 避免依赖 `lwIP socket/netconn`
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4. 采用裸机主循环 + DMA/IDLE/EXTI 中断驱动
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5. 网络侧改为更贴近资源受限场景的实现模型
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## 四、裸机架构目标
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### 4.1 总体分层
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```text
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+--------------------------------------------------+
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| Application State Machine |
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| config / server link / client link / watchdog |
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+--------------------------------------------------+
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| Transport Scheduler |
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| main loop polling + event flags + timeout scan |
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+--------------------------------------------------+
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| Network Interface |
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| CH390 event polling / packet rx-tx dispatch |
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+--------------------------------------------------+
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| Peripheral Drivers |
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| UART DMA+IDLE / SPI / GPIO / EXTI / Flash |
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+--------------------------------------------------+
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| STM32 HAL / CMSIS |
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+--------------------------------------------------+
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```
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### 4.2 执行模型
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不再使用任务调度器，改为以下模型：
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1. `ISR` 只做最小事件置位与 DMA 状态更新
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2. 主循环统一处理事件、超时、状态机推进
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3. UART RX 继续依赖 `DMA + IDLE`
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4. UART TX 可保留 `DMA`
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5. CH390 中断只置位 `netif_pending`
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6. 网络协议处理在主循环中推进
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### 4.3 事件源
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建议保留以下裸机事件位：
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```c
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typedef enum {
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EVENT_NONE = 0x00000000u,
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EVENT_CH390_INT = 0x00000001u,
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EVENT_UART1_RX_IDLE = 0x00000002u,
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EVENT_UART2_RX_IDLE = 0x00000004u,
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||
EVENT_UART3_RX_IDLE = 0x00000008u,
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||
EVENT_UART2_TX_DONE = 0x00000010u,
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||
EVENT_UART3_TX_DONE = 0x00000020u,
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||
EVENT_NET_TIMER_1MS = 0x00000040u,
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||
EVENT_LINK_RETRY = 0x00000080u,
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EVENT_CONFIG_PENDING = 0x00000100u,
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} app_event_t;
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```
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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。
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## 五、建议的软件模块拆分
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### 5.1 保留模块
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以下模块可继续保留，但需要去除 RTOS 依赖：
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1. `App/config.c`
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2. `App/flash_param.c`
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3. `App/tcp_server.*`
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4. `App/tcp_client.*`
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5. `App/uart_trans.*`
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6. `Drivers/CH390/*`
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7. `Drivers/LwIP/*` 或后续替代网络栈
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### 5.2 需要改造的核心模块
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1. `Core/Src/main.c`
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2. `Core/Src/stm32f1xx_it.c`
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3. `Core/Src/usart.c`
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4. `Core/Src/dma.c`
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5. `Core/Src/freertos.c`：后续应移除出构建或清空为兼容壳
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6. `Core/Inc/FreeRTOSConfig.h`：后续可移除出工程
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7. `Drivers/LwIP/port/sys_arch.c`：若完全去 OS，应停止使用该移植层
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8. `Drivers/LwIP/src/include/arch/sys_arch.h`
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### 5.3 建议新增的裸机模块
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建议后续新增：
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1. `App/app_scheduler.c/.h`
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- 统一处理事件位
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- 驱动周期任务
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- 执行状态机推进
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2. `App/app_net.c/.h`
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- 网络初始化
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- CH390 事件分发
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- 链路保活/重连
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3. `App/app_uart.c/.h`
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- UART DMA/IDLE 收发整合
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- 与网络方向的缓冲协调
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4. `App/app_time.c/.h`
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- 基于 `SysTick` 的毫秒计时
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- 软件超时管理
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## 六、裸机下的关键技术决策
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### 6.1 延时与时间基准
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建议统一使用：
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1. `SysTick 1ms` 全局时基
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2. 禁止在主业务路径使用长阻塞 `HAL_Delay`
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3. 超时逻辑统一基于 `tick_now - tick_start`
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示例：
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```c
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uint32_t app_now_ms(void);
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bool app_is_timeout(uint32_t start, uint32_t timeout_ms);
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```
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### 6.2 UART 接收模型
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保持 `DMA + IDLE` 是合理的，原因：
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1. 可降低 CPU 占用
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2. 适合串口透传场景
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3. 便于在裸机下维持较高吞吐
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建议 UART RX 流程：
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1. DMA 持续接收至环形或双缓冲
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2. IDLE 中断触发“本帧结束”
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3. ISR 只记录长度与事件位
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4. 主循环消费数据并决定转发方向
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### 6.3 UART 发送模型
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建议继续使用 `DMA TX`：
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1. 发送启动在主循环中执行
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2. DMA 完成中断只清 busy 标志并置 `TX_DONE` 事件
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3. 发送缓冲统一由应用层管理
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### 6.4 CH390 访问模型
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裸机下不再需要 `mutex`，但仍需保证上下文一致性：
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1. ISR 内不要执行复杂 SPI 事务
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2. EXTI 仅置位 `EVENT_CH390_INT`
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3. 所有 CH390 SPI 读写都在主循环中完成
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4. 若必须与 DMA 回调共享状态，使用短临界区保护
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### 6.5 网络栈路线
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这里需要后续 Agent 决定最终实现路线，建议二选一：
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1. `lwIP RAW API + NO_SYS=1`
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- 优点：仍保留成熟 TCP/IP 栈
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- 缺点：迁移复杂度较高，需要重写当前 `socket/netconn` 依赖
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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
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- 优点：可能进一步减小资源占用
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- 缺点：功能边界和维护成本需重新评估
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当前更推荐的长期路线是：
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`lwIP RAW API + NO_SYS=1`
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因为这条路线与现有 CH390 + 以太网驱动结构更连续。
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## 七、主循环设计建议
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建议采用固定骨架：
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```c
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int main(void)
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{
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HAL_Init();
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SystemClock_Config();
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MX_GPIO_Init();
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MX_DMA_Init();
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MX_IWDG_Init();
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||
MX_USART1_UART_Init();
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||
MX_USART2_UART_Init();
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||
MX_USART3_UART_Init();
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||
MX_SPI1_Init();
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||
app_time_init();
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app_uart_init();
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app_net_init();
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app_config_init();
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while (1)
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{
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app_poll_events();
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||
app_process_config();
|
||
app_process_uart_links();
|
||
app_process_network();
|
||
app_process_timeouts();
|
||
app_feed_watchdog();
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||
}
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}
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```
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设计原则：
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1. 所有步骤可重入或幂等
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2. 每轮主循环不可长时间阻塞
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3. 网络与串口处理都要支持“分段推进”
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## 八、建议的状态机拆分
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### 8.1 TCP Server 链路
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```text
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IDLE -> LISTEN -> CONNECTED -> CLOSING -> LISTEN
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```
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### 8.2 TCP Client 链路
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```text
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IDLE -> RESOLVE/CONFIG -> CONNECTING -> CONNECTED -> RETRY_WAIT -> CONNECTING
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```
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### 8.3 配置口
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```text
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IDLE -> RX_FRAME_READY -> PARSE -> EXECUTE -> RESPOND -> IDLE
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```
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### 8.4 CH390 网口
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```text
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RESET -> INIT -> LINK_CHECK -> RUNNING -> ERROR_RECOVER -> INIT
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```
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## 九、内存预算建议
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以 `STM32F103R8T6` 为目标，后续实现应尽量遵循：
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### 9.1 推荐 RAM 预算
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| 项目 | 建议值 | 说明 |
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|------|--------|------|
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| 启动栈 | 1 KB | `startup` 保留 |
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| C Heap | 0 | 默认关闭 |
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| UART1 RX/TX | 384 B | 配置口 |
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| UART2 RX/TX | 1 KB | 透传链路 |
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| UART3 RX/TX | 1 KB | 透传链路 |
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| 网络收发缓存 | 2-4 KB | 视协议栈路线而定 |
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| 参数/状态结构 | < 2 KB | 控制状态 |
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### 9.2 原则
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1. 避免动态分配
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2. 优先静态缓冲 + 明确大小
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3. 单向链路缓冲优先复用
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4. 所有大缓冲区要在文档中登记
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## 十、当前已完成的工程侧修改
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本分支当前已经完成：
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1. `R8/xB` 型号统一
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2. MDK 启动文件切换到 `startup_stm32f103xb.s`
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3. `IOC` 中移除 `FREERTOS` 中间件声明
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4. `PendSV/SVCall` 不再作为 RTOS 中断入口保留
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5. `Heap/Stack` 的工程默认值收缩到更适合 `R8`
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## 十一、后续 Agent 接手时应优先处理的事项
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### 11.1 工程配置层
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1. 从 `MDK-ARM/TCP2UART.uvprojx` 中移除 `FreeRTOS` 源文件组
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2. 从包含路径中移除 `CMSIS_RTOS_V2` 和 `FreeRTOS` 路径
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3. 视需要移除 `Core/Src/freertos.c`
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4. 视需要移除 `Core/Inc/FreeRTOSConfig.h`
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### 11.2 代码层
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1. 将所有 `osThreadNew`、`vTaskDelay`、`xStreamBuffer*`、`xSemaphore*`、`xMutex*` 调用替换为裸机实现
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2. 将 `lwIP` 从 `NO_SYS=0` 路线迁移到裸机可用路线
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3. 重写 `CH390` 事件处理为主循环驱动
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4. 重写 UART 透传调度逻辑为状态机
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### 11.3 风险点
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1. 当前 `socket/netconn` 方案不能直接脱离 OS 使用
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2. `sys_arch` 相关移植层最终应被清退
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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
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## 十二、交接说明
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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：
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1. 目标器件与工程元数据已经统一
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2. `CubeMX` 方向已经从 `FreeRTOS` 转向裸机
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3. 技术实现文档已明确后续重构路线
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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。
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