⌚ SmartWatch STM32F411

架构驱动 · 纯C面向对象 · 生产级代码规范
一款不只是实现功能的智能手表固件，更是嵌入式 C 语言架构设计的最佳实践。

1. 整体分层架构

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  01_APP/  应用层                                  │
│  ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐   │
│  │   系统初始化      │ │  RTOS配置表      │ │  ISR Handlers    │   │
│  │   Bootstrap      │ │  声明式资源管理  │ │  中断分发路由    │   │
│  └────────┬─────────┘ └────────┬─────────┘ └────────┬─────────┘   │
├───────────┼────────────────────┼─────────────────────────────────┤
│           │                    │                                  │
│  ┌────────┴────────────────────┴──────────────────────────────┐  │
│  │              04_Service/  服务层                            │  │
│  │  ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐  │  │
│  │  │ 5ms_Cycle      │ │ Sensor Service │ │ Temp/Humi Port │  │  │
│  │  │ 系统调度+BMS   │ │   传感器轮询   │ │ + Motion Port  │  │  │
│  │  └────────────────┘ └────────────────┘ └────────────────┘  │  │
│  │  ┌────────────────────┐ ┌────────────────────┐             │  │
│  │  │  Watchdog Monitor  │ │  Power Manager     │             │  │
│  │  │   看门狗监控       │ │  低功耗管理(STOP)  │             │  │
│  │  └────────────────────┘ └────────────────────┘             │  │
│  └────────┬───────────────────────────────────────────────────┘  │
├───────────┼──────────────────────────────────────────────────────┤
│           │                                                       │
│  ┌────────┴──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              02_BSP_Platform/  BSP驱动层                   │   │
│  │  ┌────────────────┐  ┌──────────────────┐                 │   │
│  │  │ 01_Bsp/Drivers │  │ 02_Adapter/Wrapper│                │   │
│  │  │  驱动+Handler  │  │  适配器+Bridge   │                 │   │
│  │  └────────────────┘  └──────────────────┘                 │   │
│  └────────┬──────────────────────────────────────────────────┘   │
├───────────┼──────────────────────────────────────────────────────┤
│           │                                                       │
│  ┌────────┴──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              02_MCU_Platform/  MCU外设抽象层               │   │
│  │  ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐                    │   │
│  │  │   GPIO   │ │   I2C    │ │   ADC    │                    │   │
│  │  │ 引脚抽象 │ │ 双模总线 │ │ 多通道   │                    │   │
│  │  └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘                    │   │
│  └────────┬──────────────────────────────────────────────────┘   │
├───────────┼──────────────────────────────────────────────────────┤
│           │                                                       │
│  ┌────────┴──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              02_OS_Platform/  OS抽象层                     │   │
│  │  ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐             │   │
│  │  │ Task/Queue │ │ Mutex/Sema │ │Event/System│             │   │
│  │  │ 任务/队列  │ │ 互斥/信号量│ │事件/系统   │             │   │
│  │  └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘             │   │
│  └────────┬──────────────────────────────────────────────────┘   │
├───────────┼──────────────────────────────────────────────────────┤
│           │                                                       │
│  ┌────────┴──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │       Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/  STM32 HAL库          │   │
│  │       Core/                           CMSIS + 启动代码    │   │
│  │       Middlewares/                    FreeRTOS V10.3.1    │   │
│  └───────────────────────────────────────────────────────────┘   │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  03_Libraries/  通用库 (DWT延时 / I2C软件总线 / FIFO / 调试)   │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2. 应用层 (01_APP) — 源码映射

2.1 系统初始化

架构角色	源文件
系统入口，时钟配置，外设初始化，启动RTOS调度器	`Core/Src/main.c`
入口头文件（引脚宏定义、Error_Handler）	`Core/Inc/main.h`
FreeRTOS初始化 + 启动任务创建	`Core/Src/freertos.c`
FreeRTOS配置（V10.3.1, CMSIS-RTOS V2, heap_4, 30KB堆）	`Core/Inc/FreeRTOSConfig.h`
用户应用初始化入口（创建 init task → 资源初始化 → 自删除）	`01_APP/User_Init/User_Init_Imple/user_init.c`
全局状态结构体 + OS句柄导出	`01_APP/User_Init/User_Init_Imple/user_init.h`
外设适配器注册（调用 `drv_adapter_temphumi_register()`）	`01_APP/User_Init/01_Platform_IO_Register/user_periph_setup.c`
外设注册头文件	`01_APP/User_Init/01_Platform_IO_Register/user_periph_setup.h`
中断分发路由：`HAL_GPIO_EXTI_Callback` + `HAL_I2C_MemRxCpltCallback` 集中管理，分发到 MPU6050/CST816T 等驱动	`01_APP/User_Isr_handlers/user_isr_handlers.c`
ISR Handler 头文件（PA0 按键回调声明）	`01_APP/User_Isr_handlers/user_isr_handlers.h`

启动流程：

Reset_Handler (startup_stm32f411xe.s)
  → SystemInit()                          [FPU使能]
  → 拷贝 .data, 清零 .bss
  → main()                                [Core/Src/main.c]
     → HAL_Init()                         [SysTick, NVIC优先级组]
     → SystemClock_Config()               [HSI→PLL 100MHz]
     → MX_GPIO/DMA/USART1/I2C3/SPI1/SPI2/I2C1/ADC1/RTC/IWDG_Init()
     → user_debug_init()                  [SEGGER RTT + EasyLogger]
     → app_periph_init()                  [注册AHT21适配器]
     → osKernelInitialize()
     → MX_FREERTOS_Init()                 [创建defaultTask + UserAppTask_Init]
     → osKernelStart()                    [调度器启动，永不返回]

**UserAppTask_Init 内部流程（user_init.c）：**

userTask (PRI_EMERGENCY, one-shot) → user_os_resources_init() [Queue×2 / Mutex×2 / Sema×2] → core_gpio_init() [GPIO ROM 配置表] → lv_init() + lv_port_disp_init() [LVGL + ST7789 显示初始化] → os_task_create() ×4 [批量创建 tempHandler / WatchDog / Sensor / 5ms] → lv_demo_widgets() [创建 LVGL demo 界面] → os_event_create() [温湿度事件组] → core_i2c_register_mutex() [I2C 互斥锁注册] → watchdog_init() [看门狗互斥锁初始化] → vTaskDelete(NULL) [初始化任务自删除]

> 注：userTask 拥有最高优先级 (PRI_EMERGENCY)，所有创建的任务在其自删除前不会调度，因此 `watchdog_init()` 在业务任务实际运行前一定完成。

2.2 声明式资源配置表

架构角色	源文件
Task/Queue/Mutex/Semaphore 静态配置表 + 批量创建 + Weak符号桩	`01_APP/User_Init/02_User_Task_Config/user_task_config.c`
优先级分带宏、配置结构体定义	`01_APP/User_Init/02_User_Task_Config/user_task_config.h`

优先级分带：

优先级带	值（相对 `configMAX_PRIORITIES`）	用途
`PRI_EMERGENCY`	`configMAX_PRIORITIES - 1` (最高)	初始化任务（一次性自删除）
`PRI_HARD_REALTIME`	`PRI_EMERGENCY - 4`	硬实时（传感器Handler线程）
`PRI_SOFT_REALTIME`	`PRI_HARD_REALTIME - 5`	软实时（传感器轮询、看门狗）
`PRI_NORMAL`	`PRI_SOFT_REALTIME - 7`	普通业务任务
`PRI_BACKGROUND`	1	后台任务

资源配置表内容：

资源类型	数量	名称
Task（任务）	4个	tempHandlerTask, WatchDog_Thread, SensorTask, Thread_5ms_Task
Queue（队列）	2个	SensorDataQueue (深度2, `uint32_t`), LastPressCntQueue (深度1)
Mutex（互斥锁）	2个	SensorDataMutex, SensorI2CMutex
Semaphore（信号量）	2个	SleepReqSem (二值), WakeupSem (二值)

Weak符号桩设计：
temp_humi_handler_thread() 和 wdg_handler_thread() 以 __WEAK 修饰提供空实现（while(1)），当实际Handler模块参与链接时自动覆盖。这使得功能模块可以通过编译期链接选择性地启用/裁剪。

3. 服务层 (04_Service) — 源码映射

04_Service/
├── Service_5ms_Cycle/          ← 5ms 系统调度器（心跳 + BMS + 状态机）
│   ├── service_5ms_cycle.c     ← 主调度器入口
│   ├── battery_monitor/        ← 电池监控（ADC→VDDA→电压→SOC%）
│   ├── black_light_manage/     ← 背光管理（队列消费 + 状态机分派 → PWM）
│   ├── system_state_manager/   ← 8状态FSM引擎 + 状态回调实现
│   └── calender_calculate/     ← RTC 时间读取
├── Service_PowerManager/       ← 低功耗管理（STOP 模式进出）
├── Service_Sensor/             ← 传感器服务（轮询 + 封装）
│   ├── service_sensor.c        ← 传感器轮询主任务
│   ├── service_temp_humi_process/  ← 温湿度业务封装
│   └── service_motion_process/     ← 运动传感器业务封装
└── service_watchdog_monitor/   ← 看门狗监控

3.1 Service_5ms_Cycle — 系统 5ms 调度器

以 5ms 为节拍的系统心跳，按固定顺序驱动各子模块。

架构角色	源文件
主调度器入口：`thread_5ms_task()`，每 5ms 执行一轮固定序列	`04_Service/Service_5ms_Cycle/service_5ms_cycle.c`
调度器头文件	`04_Service/Service_5ms_Cycle/service_5ms_cycle.h`

5ms 周期的执行序列：

thread_5ms_task()  [PRI_SOFT_REALTIME+4, 栈256B, 每5ms循环]
  ├── watchdog_feed()              ← 喂狗（保活）
  ├── adc_sample_all()             ← 采集3路 ADC（电池/VREF/光敏，间断模式）
  ├── battery_task_5ms()           ← 电池电压/电量计算（内部限频 1Hz）
  ├── user_rtc_read_5ms()          ← 读取 RTC 时间（内部限频 200ms）
  ├── // system_state_task_5ms()   ← 状态机（代码完整，待启用）
  ├── control_blacklight_task_5ms()← 背光控制（PWM 0~100%）
  ├── user_shutdown_monitor_5ms()  ← 长按关机检测（PA0→HP4570 PMIC 断电）
  └── os_task_delay(5)             ← 阻塞 5ms，让出 CPU

电池监控 (Battery Monitor)

架构角色	源文件
电池 ADC 采样、VDDA 反推校准、滑动均值滤波、OCV-SOC 查表插值	`04_Service/Service_5ms_Cycle/battery_monitor/battery_monitor.c`
电池状态数据结构体 + LUT 映射表项定义	`04_Service/Service_5ms_Cycle/battery_monitor/battery_monitor.h`

电池数据结构体 Battery_Status_t： adc_bat_raw, adc_vref_raw, vdda_mv, bat_mv, percentage (0~100%)。

关键算法： 使用 STM32 内部 VREFINT 校准值反推真实 VDDA 消除 ADC 误差 → 5阶滑动均值滤波平滑高阻 (1MΩ) 采样抖动 → 12段 OCV-SOC 查找表 + 线性插值。

系统状态机 (System State Manager)

架构角色	源文件
FSM 引擎：状态初始化、状态切换调度、`onEnter/onRun/onExit` 表驱动	`04_Service/Service_5ms_Cycle/system_state_manager/system_state_manager.c`
状态枚举 + 配置结构体定义	`04_Service/Service_5ms_Cycle/system_state_manager/system_state_manager.h`
8 个状态的 Enter/Run/Exit 回调实现 + 中断保存/恢复	`04_Service/Service_5ms_Cycle/system_state_manager/state_moniter.c`

8 状态流转： INIT → ACTIVE ⇄ IDLE → PRE_SLEEP → STOP (按键/传感器中断唤醒回 ACTIVE)；低电时 ACTIVE → PRE_SHUTDOWN → SHUTDOWN。

状态	说明
`STATE_INIT`	上电复位初始态，清除信号量后→ACTIVE
`STATE_ACTIVE`	正常工作：30s 稳定后清零失败计数；低电→PRE_SHUTDOWN；30s 无触摸→IDLE
`STATE_OTA`	OTA 升级（预留）
`STATE_IDLE`	浅休眠：30s 无操作→PRE_SLEEP；有触摸→ACTIVE
`STATE_PRE_SLEEP`	预休眠：暂停看门狗→保存/禁用非唤醒中断→挂起传感器任务→关屏
`STATE_STOP`	深休眠：通知 PowerManager 进入 STOP 模式，阻塞等待 WakeupSem
`STATE_PRE_SHUTDOWN`	预关机：低电告警，保存关键数据（预留）
`STATE_SHUTDOWN`	关机：通过 HP4570 PMIC 断电（预留）

中断保存/恢复： state_moniter.c 维护 g_irq_states[] 表 (DMA/SPI/USART/TIM11 等 9 个中断源)，save_and_disable_interrupts() 逐项保存使能状态 + 禁用 + 清除 Pending 位；restore_interrupts() 按原样恢复。

背光管理 (Black Light Manage)

架构角色	源文件
背光管理 5ms 周期任务：队列消费最新亮度 → 系统状态机分派（ACTIVE应用 / IDLE最低 / SLEEP关闭） → PWM 背光	`04_Service/Service_5ms_Cycle/black_light_manage/black_light_manage.c`
头文件（亮度百分比数据块定义）	`04_Service/Service_5ms_Cycle/black_light_manage/black_light_manage.h`

RTC 日历读取

架构角色	源文件
RTC 时间读取（每 200ms），读小时/分钟/秒 + 年月日	`04_Service/Service_5ms_Cycle/calender_calculate/calender_calculate.c`
头文件	`04_Service/Service_5ms_Cycle/calender_calculate/calender_calculate.h`

3.2 Service_PowerManager — 低功耗管理

架构角色	源文件
核心：低功耗监控任务，配合状态机完成 STOP 模式进出	`04_Service/Service_PowerManager/lower_power_manager.c`
头文件	`04_Service/Service_PowerManager/lower_power_manager.h`

工作流程：

low_power_monitor_task()
  ├── 初始：drv_adapter_hp4570_init()              [初始化 HP4570 PMIC]
  ├── 循环：
  │     ├── watchdog_unregister() → os_sema_take(SleepReqSem)  [等待休眠信号]
  │     ├── watchdog_register() → watchdog_pause()
  │     ├── enter_stop_mode_rtos()     [HAL_SuspendTick→关SysTick→STOP(WFI)]
  │     ├── 唤醒后 SystemClock_Config() + HAL_ResumeTick
  │     ├── watchdog_resume() → watchdog_feed()
  │     └── os_sema_give(WakeupSem)    [通知状态机已唤醒]
  └── 回到循环开头

3.3 Service_Sensor — 传感器服务

3.3.1 传感器轮询服务

架构角色	源文件
核心：传感器轮询任务，周期性读取温湿度+运动数据，Mutex保护写入全局状态，Queue发布数据	`04_Service/Service_Sensor/service_sensor.c`
传感器服务头文件（传感器类型位掩码、传感器状态结构体、MPU6050数据结构体）	`04_Service/Service_Sensor/service_sensor.h`

传感器类型位掩码（预留扩展）：

#define SENSOR_TEMP       (1 << 0)   // 温度
#define SENSOR_HUMIDITY   (1 << 1)   // 湿度
#define SENSOR_MOTION     (1 << 2)   // 运动（已启用，MPU6050）
#define SENSOR_PRESSURE   (1 << 3)   // 气压（预留）
#define SENSOR_ALTITUDE   (1 << 4)   // 海拔（预留）
#define SENSOR_HEARTRATE  (1 << 5)   // 心率（预留）

轮询状态结构体：

字段	类型	用途
`active_sensors`	`uint32_t`	当前活跃传感器掩码
`temp_sample_rate`	`uint32_t`	温度采样间隔(ms)，默认 10000ms
`motion_sample_rate`	`uint32_t`	运动采样间隔(ms)，默认 100ms
`last_temp_sample`	`uint32_t`	上次温度采样时间戳
`last_motion_sample`	`uint32_t`	上次运动采样时间戳
`temp_sampling_enabled`	`bool`	温度采样使能标志
`motion_sampling_enabled`	`bool`	运动采样使能标志

MPU6050 传感器数据结构体（定义在 service_sensor.h）：

字段	类型	含义
`accel_x/y/z_raw`	`int16_t`	原始加速度计数据
`ax/ay/az`	`double`	转换后的加速度 (g)
`gyro_x/y/z_raw`	`int16_t`	原始陀螺仪数据
`gx/gy/gz`	`double`	转换后的角速度 (dps)
`temperature`	`float`	芯片温度 (°C)
`kalman_angle_x/y`	`double`	Kalman 滤波角度 (预留)

3.3.2 温湿度封装层

架构角色	源文件
薄封装层（对 `aht21_wrapper` 的二次封装，提供业务级API）	`04_Service/Service_Sensor/service_temp_humi_process/temp_humi_port.c`
封装层头文件（init/deinit/read_temp/read_humi/read_temp_and_humi）	`04_Service/Service_Sensor/service_temp_humi_process/temp_humi_port.h`

3.3.3 运动传感器封装层

架构角色	源文件
薄封装层（对 `mpu6050_wrapper` 的二次封装，提供业务级 motion API）	`04_Service/Service_Sensor/service_motion_process/motion_port.c`
封装层头文件（init/deinit/readdata/getreqstate/readdataend）	`04_Service/Service_Sensor/service_motion_process/motion_port.h`

motion_port API：

API	功能
`motion_init()`	初始化 MPU6050 驱动全链路
`motion_deinit()`	反初始化 MPU6050
`motion_readdata()`	获取 DMA 缓冲区原始数据指针
`motion_getreqstate()`	查询数据就绪状态（Queue 超时检查）
`motion_readdataend()`	结束本次读取，释放缓冲区

3.4 看门狗监控服务

架构角色	源文件
核心：硬件IWDG + 软件任务注册/喂狗/巡检 + 安全模式	`04_Service/service_watchdog_monitor/watchdog_monitor.c`
看门狗头文件（注册/取消/喂狗 API）	`04_Service/service_watchdog_monitor/watchdog_monitor.h`

看门狗API：

API	功能
`watchdog_register(handle, timeout_ms, name)`	注册任务到监控列表（按 OS 句柄索引）
`watchdog_feed(handle)`	任务喂狗（更新最后活跃时间）
`watchdog_unregister(handle)`	取消注册
`watchdog_pause()` / `watchdog_resume()`	暂停/恢复监控
`watchdog_is_paused()` / `watchdog_is_safe_mode()`	查询监控状态
`watchdog_clear_boot_fail_count()`	清除启动失败计数

4. BSP驱动层 (02_BSP_Platform) — 源码映射

4.1 驱动三层架构总览

每个传感器驱动遵循统一的三层架构：

Driver (纯寄存器级) → Handler (事件队列 + RTOS线程) → Adapter + Wrapper (Bridge模式)

4.2 传感器驱动清单

AHT21 温湿度传感器（当前最完整实现）

层级	源文件
Driver：OOP-style vtable、依赖注入接口、I2C寄存器读写	`02_BSP_Platform/01_Bsp/AHT21/AHT21_Driver/aht21_driver.h`
Driver实现：`aht21_inst()` 构造函数、初始化序列、温湿度计算	`02_BSP_Platform/01_Bsp/AHT21/AHT21_Driver/aht21_driver.c`
寄存器地址定义	`02_BSP_Platform/01_Bsp/AHT21/AHT21_Driver/aht21_reg.h`
Handler：FreeRTOS事件线程，管理事件队列、温湿度数据解包	`02_BSP_Platform/01_Bsp/AHT21/AHT21_Handler/aht21_handler.h`
Handler实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/AHT21/AHT21_Handler/aht21_handler.c`

AHT21 Driver 接口依赖注入：

bsp_aht21_driver_t
├── aht21_driver_input_api_t
│   ├── i2c_bus_interface_t    → I2C start/stop/send/recv/ACK
│   ├── timebase_interface_t   → 系统tick获取
│   └── yield_interface_t      → RTOS任务让出

MPU6050 六轴IMU（Driver + Handler接口已定义）

层级	源文件
Driver：20+虚函数vtable、6接口DI、Kalman数据结构	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/mpu6050_driver.h`
Driver实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/mpu6050_driver.c`
寄存器地址定义	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/mpu6050_reg.h`
寄存器位域宏	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/mpu6050_reg_bit.h`
环形缓冲区（DMA→Buffer→Queue 数据管道）	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/circular_buffer.h`
环形缓冲区实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Driver/circular_buffer.c`
Handler：队列/信号量/任务通知，支持DMA中断链	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Handler/mpu6050_handler.h`
Handler实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/MPU6050/MPU6050_Handler/mpu6050_handler.c`

MPU6050 接口依赖注入图：

bsp_mpu6050_driver_t
├── mpu6050_iic_driver_interface_t      → I2C总线读/写/DMA读
├── hardware_interrupt_interface_t      → GPIO中断使能/禁用
├── mpu6050_delay_interface_t           → us/ms延时
├── mpu6050_timebase_interface_t         → 系统tick获取
├── mpu6050_yield_interface_t           → RTOS任务让出
├── mpu6050_os_interface_t              → Queue/Mutex/Semaphore (11个方法)
└── buffer_interface_t                  → DMA环形缓冲区管理

HP4570 充电管理IC（完整三层实现）

层级	源文件
Driver：OOP-style vtable（12个虚函数）、I2C 依赖注入接口、充电使能/电压/电流配置	`02_BSP_Platform/01_Bsp/HP4570/HP4570_Driver/hp4570_driver.h`
Driver实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/HP4570/HP4570_Driver/hp4570_driver.c`
寄存器地址定义	`02_BSP_Platform/01_Bsp/HP4570/HP4570_Driver/hp4570_reg.h`
寄存器实现	`02_BSP_Platform/01_Bsp/HP4570/HP4570_Driver/hp4570_reg.c`

HP4570 Driver 接口依赖注入：

bsp_hp4570_driver_t
├── hp4570_iic_driver_interface_t  → I2C mem_write/mem_read
├── pf_inst()                       → 构造函数（注入I2C实例 + 芯片版本）
└── vtable:
    ├── pf_init() / pf_deinit()
    ├── pf_enable_charge() / pf_disable_charge()
    ├── pf_set_vbat_mv() / pf_set_ichg_ma()
    ├── pf_read_chip_ver() / pf_read_charge_stat0()

ST7789 LCD 显示驱动（完整实现）

层级	源文件
Driver：OOP-style vtable、SPI 3线接口、240×280 RGB565、硬件复位序列	`02_BSP_Platform/01_Bsp/ST7789/ST7789_Driver/bsp_st7789_driver.h`
Driver实现：`st7789_init()` 寄存器初始化序列 + Gamma校正 + 填充/打点/画线/写字符串	`02_BSP_Platform/01_Bsp/ST7789/ST7789_Driver/bsp_st7789_driver.c`
Driver接口链接（函数指针装配）	`02_BSP_Platform/01_Bsp/ST7789/ST7789_Driver/bsp_st7789_link.h`
寄存器命令/数据定义	`02_BSP_Platform/01_Bsp/ST7789/ST7789_Driver/st7789_reg_define.h`
PWM背光控制：TIM2_CH2 839Hz PWM，0~100% 线性占空比	`02_BSP_Platform/01_Bsp/ST7789/ST7789_Driver/backlight_control.c`

ST7789 Driver 接口依赖注入：

bsp_st7789_driver_t
├── basic_oper_driver_interface_t   → SPI传输 + CS/DC/RST GPIO控制
├── st7789_spi_driver_interface_t   → 写命令/写数据/写单字节
├── st7789_timebase_interface_t     → OS延时/tick获取
└── st7789_yield_interface_t        → RTOS任务让出

ST7789 Adapter + Wrapper

层	源文件
Wrapper：抽象显示接口 `display_drv_t`（init/deinit/draw_pixel/set_backlight/draw_image）	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_4-ST7789/wrapper/bsp_wrapper_display.h`
Wrapper实现（注册表管理 + 分发）	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_4-ST7789/wrapper/bsp_wrapper_display.c`
Adapter：注册函数 `drv_adapter_display_register()`，装配 ST7789 全链路	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_4-ST7789/adapter/bsp_adapter_port_display.h`
Adapter实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_4-ST7789/adapter/bsp_adapter_port_display.c`

4.3 Adapter + Wrapper（Bridge模式适配层）

设计模式说明： Wrapper 定义抽象接口（函数指针结构体），Adapter 提供注册函数绑定具体驱动，使上层服务代码不依赖具体芯片型号。

AHT21

层	源文件
Wrapper：抽象接口 `temphumi_drv_t`（init/deinit/read_temp/read_humi/read_both）	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_1-AHT21/wrapper/aht21_wrapper.h`
Wrapper实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_1-AHT21/wrapper/aht21_wrapper.c`
Adapter：注册函数 `drv_adapter_temphumi_register()`，装配Driver+Handler+OS+I2C	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_1-AHT21/adapter/aht21_adaption.h`
Adapter实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_1-AHT21/adapter/aht21_adaption.c`

MPU6050

层	源文件
Wrapper：抽象运动传感器接口	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_2-MPU6050/wrapper/mpu6050_wrapper.h`
Wrapper实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_2-MPU6050/wrapper/mpu6050_wrapper.c`
Adapter：注册函数，装配MPU6050全链路	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_2-MPU6050/adapter/mpu6050_adaption.h`
Adapter实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_2-MPU6050/adapter/mpu6050_adaption.c`

HP4570

层	源文件
Wrapper：抽象充电管理接口 `hp4570_drv_t`（10个虚函数：init/deinit/charge/voltage/current/status/pwrkey/batfet）	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_3-HP4570/wrapper/hp4570_wrapper.h`
Wrapper实现（全局注册/分发函数）	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_3-HP4570/wrapper/hp4570_wrapper.c`
Adapter：注册函数 `drv_adapter_hp4570_register()`，装配 HP4570 Driver+I2C 全链路	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_3-HP4570/adapter/hp4570_adaption.h`
Adapter实现	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_3-HP4570/adapter/hp4570_adaption.c`

5. MCU外设抽象层 (02_MCU_Platform) — 源码映射

外设	源文件
GPIO：集中式引脚枚举表、ROM配置表、动态RCC时钟使能	`02_MCU_Platform/MCU_Core_GPIO/gpio_port.c`
GPIO头文件（引脚枚举 `CORE_GPIO_TEMPHUMI_SDA/SCL` 等）	`02_MCU_Platform/MCU_Core_GPIO/gpio_port.h`
GPIO引脚宏定义（传感器I2C引脚 PB6/PB7）	`02_MCU_Platform/MCU_Core_GPIO/gpio_define.h`
I2C：硬件/软件双模I2C、Mutex保护、DMA读支持	`02_MCU_Platform/MCU_Core_I2C/i2c_port.c`
I2C头文件（总线枚举、便捷宏 `SENSOR_I2C_HARDWARE_WRITE`）	`02_MCU_Platform/MCU_Core_I2C/i2c_port.h`
ADC：多通道ADC抽象、`score_adc_measure()` 轮询接口	`02_MCU_Platform/MCU_Core_ADC/adc_port.c`
ADC头文件（总线枚举 `CORE_ADC_BUS_1`、便捷宏 `LIGHT_ADC_MEASURE`）	`02_MCU_Platform/MCU_Core_ADC/adc_port.h`

I2C总线分配：

总线	模式	引脚	挂载设备
I2C1	硬件	PB6(SCL) / PB7(SDA)	AHT21 + MPU6050（共享总线）
I2C3	硬件	PA8(SCL) / PB4(SDA)	CST816T 触摸屏（预留）

6. OS抽象层 (02_OS_Platform) — 源码映射

6.1 两层结构

[Application]          01_APP/  04_Service/
     ↑ 调用平台OS API
[OS Public API]        02_OS_Platform/inc/platform_os.h
     ↑ 委托到各模块实现
[OS Implementation]    02_OS_Platform/src/{Task,Queue,Mutex,Sema,Event,System}/
     ↑ 调用
[FreeRTOS Kernel]      Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/

注意：当前项目采用扁平两层OSAL，未引入独立的 Middlewares/os_adapter/ 中间件层。所有OS句柄为 void* opaque handle，业务代码完全不包含FreeRTOS原生头文件。

6.2 完整文件映射

层级	功能	源文件
总入口	统一引用所有OSAL子模块 + 便捷API（`os_delay_ms`, `os_enter_critical` 等）	`02_OS_Platform/inc/platform_os.h`
Task API	`os_task_create/delete/get_handle`	`02_OS_Platform/src/Task/os_task_port.h`
Task实现	`xTaskCreate/xTaskDelete/xTaskGetCurrentTaskHandle`	`02_OS_Platform/src/Task/os_task_port.c`
Queue API	`os_queue_create/put/get/delete/put_from_isr`	`02_OS_Platform/src/Queue/os_queue_port.h`
Queue实现	`xQueueCreate/xQueueSend/xQueueReceive`（含ISR版本路由）	`02_OS_Platform/src/Queue/os_queue_port.c`
Mutex API	`os_mutex_create/take/give/delete`	`02_OS_Platform/src/Mutex/os_mutex_port.h`
Mutex实现	`xSemaphoreCreateMutex/xSemaphoreTake/xSemaphoreGive`	`02_OS_Platform/src/Mutex/os_mutex_port.c`
Semaphore API	`os_sema_create/take/give`（支持Binary/Counting）	`02_OS_Platform/src/Sema/os_sema_port.h`
Semaphore实现	`xSemaphoreCreateBinary/Counting/Give/Take`	`02_OS_Platform/src/Sema/os_sema_port.c`
EventGroup API	`os_event_create/wait/set/clear/delete`	`02_OS_Platform/src/Event/os_event_port.h`
EventGroup实现	`xEventGroupCreate/WaitBits/SetBits/ClearBits/Delete`	`02_OS_Platform/src/Event/os_event_port.c`
System API	`os_enter_critical/os_exit_critical/os_delay_ms/os_get_tick_ms`	`02_OS_Platform/src/System/os_system_port.h`
System实现	`taskENTER_CRITICAL/vTaskDelay/xTaskGetTickCount`	`02_OS_Platform/src/System/os_system_port.c`

7. 运行时任务映射

任务	优先级	栈大小	入口函数	角色
userTask (one-shot)	PRI_EMERGENCY	2048B	`userTaskInitFunction()`	OS资源+watchdog_init+LVGL显示初始化 → 批量创建业务任务 → 自删除
tempHandlerTask	PRI_HARD_REALTIME + 1	512B	`temp_humi_handler_thread()`	AHT21事件驱动温湿度处理
WatchDog_Thread	PRI_SOFT_REALTIME + 3	512B	`server_watchdog_task()`	软件看门狗：巡检注册任务 → 喂硬件IWDG
SensorTask	PRI_SOFT_REALTIME + 3	512B	`sensor_polling_task()`	传感器轮询（100ms周期，温湿度10s + 运动100ms）
Thread_5ms_Task	PRI_SOFT_REALTIME + 4	256B	`thread_5ms_task()`	5ms 系统调度器：ADC+BMS+状态机+RTC
defaultTask	PRI_NORMAL	512B	`StartDefaultTask()`	空闲循环（`osDelay(5)`）

已注释待启用的任务： MPU6050Task (MPU6050, PRI_HARD_REALTIME+1, 1024B) / LowPower_Thread (低功耗监控, PRI_SOFT_REALTIME, 256B)。

8. 通信模式 — 源码映射

8.1 模式 A：全局状态 + 互斥锁（共享内存）

sensor_polling_task()              任何消费者任务
      │                                  │
      ├─ os_mutex_take(SensorDataMutex)  ├─ os_mutex_take(SensorDataMutex)
      ├─ g_system_status.temperature = x ├─ val = g_system_status.temperature
      ├─ g_system_status.humidity = y    ├─ val = g_system_status.humidity
      └─ os_mutex_give(SensorDataMutex)  └─ os_mutex_give(SensorDataMutex)

角色	源文件
全局状态结构体定义 (`system_status_t`)	`01_APP/User_Init/User_Init_Imple/user_init.h`
Mutex句柄初始化 (`SensorDataMutex`)	`01_APP/User_Init/02_User_Task_Config/user_task_config.c`
写入方：传感器任务更新 `g_system_status`	`04_Service/service_sensor.c`
全局状态实例	`01_APP/User_Init/User_Init_Imple/user_init.c`

8.2 模式 B：Queue 异步消息

Queue名称	深度	数据大小	发送方	接收方
`SensorDataQueue`	2	`uint32_t`	`sensor_polling_task()`	外部消费者
`LastPressCntQueue`	1	`uint32_t`	LVGL indev（触摸/按键事件）	`state_moniter.c` (active_run/idle_run)

Queue配置表定义： 01_APP/User_Init/02_User_Task_Config/user_task_config.c

8.3 模式 C：Semaphore 同步（低功耗休眠/唤醒握手）

系统状态机 (state_moniter.c) 与低功耗执行者 (lower_power_manager.c) 之间通过二值信号量做休眠/唤醒握手：

state_moniter (状态机)                  lower_power_manager (执行者)
  │                                          │
  │ [进入 STATE_STOP]                         │ [等待休眠信号量]
  ├─ os_sema_give(SleepReqSem) ──────────→   ├─ os_sema_take(SleepReqSem, ∞)
  │                                          │ [收到信号，进入 STOP 模式]
  ├─ os_sema_take(WakeupSem, ∞) [阻塞]      │ enter_stop_mode_rtos() [WFI挂起]
  │                                    ←中断唤醒→
  │                                          │ [恢复时钟、看门狗]
  │                                     ←────├─ os_sema_give(WakeupSem)
  ├─ [收到唤醒信号]                           │
  │ [判断唤醒源 → STATE_ACTIVE]              │ [回到循环起点，等待下一次休眠信号]

信号量定义： SleepReqSem (二进制), WakeupSem (二进制)，定义于 user_task_config.c。

8.4 模式 D：任务挂起/恢复（低功耗上下文保护）

进入休眠 (STATE_PRE_SLEEP) 时通过 os_task_suspend() 挂起传感器任务，唤醒 (STATE_STOP exit) 后通过 os_task_resume() 恢复：

// state_moniter.c:276-278 — pre_sleep_enter
os_task_suspend(st_usertaskcfg[USER_IDX_sensor_polling_task].task_handle);
os_task_suspend(st_usertaskcfg[USER_IDX_temp_humi_handler_thread].task_handle);

// state_moniter.c:327-328 — stop_exit
os_task_resume(st_usertaskcfg[USER_IDX_sensor_polling_task].task_handle);
os_task_resume(st_usertaskcfg[USER_IDX_temp_humi_handler_thread].task_handle);

9. 库与中间件层 (03_Libraries + Middlewares) — 源码映射

9.1 通用工具库 (03_Libraries)

模块	源文件	用途
软件I2C总线	`03_Libraries/02_1-Common/IIC_BUS/i2c_bus.c`	位脉冲式I2C主机，支持单字节/多字节读写
软件I2C头文件	`03_Libraries/02_1-Common/IIC_BUS/i2c_bus.h`	`i2c_bus_t` 引脚可配置结构体
DWT延时	`03_Libraries/02_1-Common/DWT_Delay/DWT_delay.c`	ARM DWT周期计数器微秒级精确延时
DWT延时头文件	`03_Libraries/02_1-Common/DWT_Delay/DWT_Delay.h`	`delay_us()` / `DWT_Init()`
FIFO缓冲区	`03_Libraries/02_1-Common/FIFO/multi_cyc_fifo.c`	多字节环形FIFO
FIFO头文件	`03_Libraries/02_1-Common/FIFO/multi_cyc_fifo.h`	FIFO结构体与API

9.2 调试工具

模块	源文件	用途
EasyLogger (v2.2.0)	`03_Libraries/02_2-ThirdParty/elog/`	结构化日志框架，`log_d()`/`log_e()`/`log_i()`
SEGGER RTT (v3.54)	`03_Libraries/02_2-ThirdParty/SEGGER/`	J-Link实时传输，`SEGGER_RTT_printf()`
SEGGER SystemView (v3.54)	`03_Libraries/02_2-ThirdParty/SEGGER/`	FreeRTOS任务级追踪与性能分析
Debug初始化	`02_BSP_Platform/02_Adapter/02_X-Debug/user_debug.c`	统一初始化RTT + EasyLogger

9.3 第三方RTOS与HAL

模块	路径	用途
FreeRTOS V10.3.1	`Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/`	抢占式RTOS内核 (56优先级, heap_4, 30KB堆)
CMSIS-RTOS V2	`Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/CMSIS_RTOS_V2/`	FreeRTOS → CMSIS-RTOS V2 API适配
LVGL V8.3.10	`Middlewares/LVGL/lvgl-8.3.10/`	嵌入式GUI框架，双缓冲区 (240×25×2)，lv_demo_widgets
STM32F4 HAL	`Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/`	STM32硬件抽象层
CMSIS Core	`Drivers/CMSIS/`	Cortex-M4核心支持

9.4 硬件初始化代码 (Core/)

模块	源文件	用途
启动文件	`startup_stm32f411xe.s`	中断向量表、Reset_Handler
链接脚本	`STM32F411XX_FLASH.ld`	512KB Flash / 128KB RAM 内存布局
中断服务函数	`Core/Src/stm32f4xx_it.c`	EXTI/DMA/USART/TIM IRQ Handler
HAL MSP	`Core/Src/stm32f4xx_hal_msp.c`	外设GPIO/时钟引脚初始化
HAL Timebase	`Core/Src/stm32f4xx_hal_timebase_tim.c`	TIM11作为HAL 1ms时基
时钟配置	`Core/Src/main.c` (`SystemClock_Config`)	HSI 16MHz → PLL → 100MHz SYSCLK

10. 外设硬件资源表

外设	实例	引脚	用途
I2C1	硬件	PB6(SCL), PB7(SDA)	AHT21 + MPU6050 + HP4570 共享总线
I2C3	硬件	PA8(SCL), PB4(SDA)	CST816T 触摸屏（预留）
SPI1	硬件	PA5(CLK), PA7(MOSI), PA4(CS), PA6(DC), PB10(RST)	ST7789 LCD 显示屏 (240×280 RGB565)
SPI2	硬件	PB13(CLK), PB15(MOSI), PB14(MISO), PB12(CS)	W25Q128 外部Flash（预留）
USART1	硬件	PA9(TX), PA10(RX)	蓝牙模块（预留）
ADC1	硬件	PA2(Ch2), PB0(Ch8), 内部VREF	光敏传感器 + 电池电压 + VREFINT校准（3通道间断模式）
TIM2_CH2	硬件	PA1 (AF1)	ST7789 PWM 背光 (839Hz, 0~100% 占空比)
TIM11	硬件	内部	HAL 1ms时基
IWDG	硬件	内部	硬件看门狗
RTC	硬件	内部	实时时钟
EXTI0	外部中断	PA0	用户按键3
EXTI2	外部中断	PB2	触摸屏中断（预留）
EXTI9_5	外部中断	PB5	MPU6050 中断（预留）

11. 构建系统 — 源码映射

角色	源文件
根构建文件：可执行目标 `SmartWatch_STM32F411`，链接所有子库	`CMakeLists.txt`
工具链配置：`arm-none-eabi-gcc`, Cortex-M4 + hard FP	`cmake/gcc-arm-none-eabi.cmake`
HAL/FreeRTOS构建：STM32CubeMX生成的源文件编译规则	`cmake/stm32cubemx/CMakeLists.txt`
CMake预设：Debug (`-O0 -g3`) / Release (`-Os -g0`)	`CMakePresets.json`
STM32CubeMX工程	`SmartWatch_STM32F411.ioc`

链接库结构：

SmartWatch_STM32F411 (executable)
  ├── stm32cubemx        (interface lib: HAL/FreeRTOS头文件路径 + 编译宏)
  ├── STM32_Drivers      (object lib: 所有HAL .c 文件)
  ├── FreeRTOS           (object lib: FreeRTOS内核 + CMSIS-RTOS V2 + port + heap_4)
  ├── lvgl               (LVGL 8.3.10 核心库)
  ├── lvgl_demos         (LVGL demo widgets)
  ├── app                (interface lib: 01_APP/)
  ├── bsp_adapter        (02_BSP_Platform/)
  ├── os_platform        (02_OS_Platform/)
  ├── mcu_platform       (02_MCU_Platform/)
  ├── libraries          (03_Libraries/)
  ├── service            (04_Service/)
  └── -lm                (数学库)

12. 关键设计模式速查

设计模式	体现位置	核心源文件
面向对象C（struct + 函数指针vtable）	所有BSP Driver	`aht21_driver.h`, `mpu6050_driver.h`
依赖注入（接口注入）	Driver `_inst()` 构造函数	`aht21_driver.c`, `mpu6050_adaption.c`
Bridge模式（抽象与实现分离）	Adapter + Wrapper（AHT21/MPU6050/HP4570）	`aht21_wrapper.h`, `mpu6050_wrapper.h`, `hp4570_wrapper.h`
三层架构（Driver/Handler/Adapter-Wrapper）	每个BSP外设	`01_Bsp//` + `02_Adapter//`
状态机表驱动（FSM Table-Driven）	8状态系统状态机	`state_moniter.c` (`g_stateTable[STATE_MAX_COUNT]`)
信号量握手同步（Semaphore Handshake）	低功耗休眠/唤醒	`state_moniter.c` ⇄ `lower_power_manager.c`
声明式配置（数据即配置）	RTOS资源创建	`user_task_config.c` (`st_usertaskcfg_t[]`)
弱符号桩（编译期功能裁剪）	任务函数默认实现	`user_task_config.c` (`__WEAK` 函数)
类型擦除（Opaque Handle）	OS抽象层	`platform_os.h` (`void*` 句柄)
生产者-消费者（Queue解耦）	传感器数据发布	`service_sensor.c` → `g_sensor_data_queue`
注册/回调模式	看门狗任务监控	`watchdog_monitor.c`
事件驱动Handler	传感器数据处理	`aht21_handler.c` (事件队列 + RTOS线程)

13. 实现状态总览

已完整实现

模块	状态	说明
启动流程 + 时钟配置	✅ 完成	HSI→PLL 100MHz
FreeRTOS + CMSIS-RTOS V2	✅ 完成	56优先级, heap_4, 30KB堆
OS抽象层 (Task/Queue/Mutex/Sema/Event/System)	✅ 完成	全opaque handle
GPIO抽象层	✅ 完成	集中式引脚枚举 + ROM配置表
I2C抽象层 (硬件+软件双模)	✅ 完成	Mutex保护, DMA读
AHT21传感器 (Driver→Handler→Adapter→Wrapper)	✅ 完成	完整三层+Bridge
SEGGER RTT + EasyLogger 调试	✅ 完成	RTT printf + 结构化日志
传感器轮询服务	✅ 完成	温湿度 + 运动数据采集，Mutex保护 + Queue发布
运动传感器封装层	✅ 完成	motion_port 薄封装，对 MPU6050 Wrapper 二次封装
看门狗监控服务	✅ 完成	注册/喂狗/安全模式
MPU6050 Adapter/Wrapper	✅ 完成	`motion_drv_t` Bridge模式全链路装配
声明式RTOS资源配置	✅ 完成	4任务 + 2队列 + 2互斥锁 + 2信号量批量创建 + Weak桩
软件I2C位脉冲驱动	✅ 完成	引脚可配置
5ms 周期调度器	✅ 完成	固定序列：喂狗→ADC采样→电池计算→RTC；状态机/背光/关机检测待启用
电池监控 (BMS)	✅ 完成	VREFINT 校准→VDDA 反推→5阶滑动滤波→12段 OCV-SOC LUT 线性插值
RTC 日历读取	✅ 完成	200ms 限频，读时分秒 + 年月日
ADC 多通道抽象层	✅ 完成	总线索引轮询，VREFINT/BAT/LIGHT 三通道间断模式
ISR 中断分发路由	✅ 完成	`HAL_GPIO_EXTI_Callback` + `HAL_I2C_MemRxCpltCallback` 集中分发
ST7789 LCD显示驱动 + LVGL 8.3.10	✅ 完成	SPI1 3线接口 (PA5 CLK/PA7 MOSI/PA6 DC/PA4 CS/PB10 RST)，240×280 RGB565，LVGL widget demo 运行正常
PWM 背光控制	✅ 完成	TIM2_CH2 (PA1/AF1)，839Hz，0~100% 线性占空比
长按关机检测	✅ 完成	PA0 长按→HP4570 PMIC 断电，位于 `thread_5ms_task` 中

基本实现，持续完善中

模块	状态	说明
MPU6050 六轴IMU	🔧 Driver+Handler 已跑通	FIFO + DMA 中断链工作，加速度/角速度解包正常；MpuHandlerTask 待启用
8状态系统状态机 (FSM)	🔧 代码完整	表驱动 `g_stateTable[]`，Enter/Run/Exit 回调；`system_state_task_5ms()` 调用待启用
HP4570 充电管理IC	🔧 驱动完整	完整三层+Bridge，充电使能/电压/电流/BATFET API 已实现；Adapter 注册待接入 app_periph_init
低功耗管理 (STOP 模式)	🔧 代码完整	Semaphore 握手、中断保存/恢复、WFI 深休眠均已实现；LowPower_Thread 待启用

预留/规划中

模块	状态	说明
CST816T 触摸驱动	📋 预留	I2C3已初始化
W25Q128 外部Flash	📋 预留	SPI2引脚已配置
BLE蓝牙通信	📋 预留	USART1已配置
OTA固件升级	📋 预留	—
计步算法 / 心率算法	📋 预留	—
SPL06气压 / EM7028心率 / LIS2MDL磁力计	📋 预留	—
WT588语音	📋 预留	—

14. 项目文档

文档	路径
本架构映射文档	`0X_DOC/SmartWatch.md`
参考架构（EC_S100 Watch）	`0X_DOC/项目架构.md`
学习路径	`0X_DOC/学习路径.md`
温湿度传感器和陀螺仪驱动的差异	`0X_DOC/温湿度传感器和陀螺仪驱动的差异.md`
温湿度传感器调用链	`0X_DOC/温湿度传感器调用链.md`

使用建议： 当你在流程图中看到一个模块/模式，用此表快速定位到对应的 .c/.h 文件。本文档随每次涉及架构变动的 git commit 增量更新，始终保持与代码同步。

📜 License

本项目采用 MIT License 开源协议。

Made with ❤️ and Architecture-First mindset.

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 38 Commits
01_APP		01_APP
02_BSP_Platform		02_BSP_Platform
02_MCU_Platform		02_MCU_Platform
02_OS_Platform		02_OS_Platform
03_Libraries		03_Libraries
04_Service		04_Service
Core		Core
Drivers		Drivers
Middlewares		Middlewares
cmake		cmake
.gitignore		.gitignore
.mxproject		.mxproject
CMakeLists.txt		CMakeLists.txt
CMakePresets.json		CMakePresets.json
README.md		README.md
STM32F411XX_FLASH.ld		STM32F411XX_FLASH.ld
SmartWatch_STM32F411.ioc		SmartWatch_STM32F411.ioc
startup_stm32f411xe.s		startup_stm32f411xe.s

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