AVR單片機教程——走向高層
本文隸屬於AVR單片機教程系列。html
在系列教程的最後一篇中，我將向你推薦3個能夠深造的方向：RTOS、C++、事件驅動。掌握這些技術能夠幫助你更快、更好地開發更大的項目。git
本文涉及到許多概念性的內容，若是你有不一樣意見，歡迎討論。編程
關於高層
這一篇教程叫做「走向高層」。什麼是高層？函數
我認爲，若是寥寥幾行代碼就能實現一個複雜功能，或者一行代碼能夠對應到幾百句彙編，那麼你就站在高層。高層與底層是相對的概念，沒有絕對的界限。工具
站得高，看得遠，這一樣適用於編程，咱們要走向高層。高層是對底層的封裝，是對現實的抽象，高層相比於底層更加貼近應用。站在高層，你能夠看到不少底層看不到的東西，主要有編程工具和思路。合理利用工具，能夠簡化代碼，下降工做量；用合適的思路編程，更能夠事半功倍。學習
可是，掌握高層並不意味着忽視甚至鄙視底層，高層創建在底層基礎之上。其一，有些高層出現的詭異現象能夠追溯到底層，這樣的debug任務只有通曉底層與高層的開發者才能勝任；其二，爲了讓高層實現複雜功能的同時得到可接受的運行效率，底層必須設計地更加精緻，這就對底層提出了更高的要求。測試
相信你通過一期和二期的教程，已經至關熟悉AVR編程的底層了。跟我一塊兒走上高層吧！ui
RTOS
實時操做系統（RTOS）是一類操做系統。帶有操做系統的計算機系統相比不帶有的，最顯著的特色是支持多任務。咱們以前寫的程序，在監控按鍵的同時，開了一個定時器中斷用於數碼管動態掃描，兩個任務同時進行，是多任務嗎？不徹底是。監控按鍵與動態掃描兩個任務只有一個能夠佔據main函數，另外一個必須放在中斷裏，中斷裏的任務不能執行太長時間，不然就會干擾main函數的運行。而操做系統中的任務調度器能夠給每一個任務分配必定的運行時間，CPU一會執行這個，一會執行那個，每一個任務都好像獨佔了CPU連續執行同樣。操作系統
RTOS與其餘操做系統的主要區別在於任務調度器的設計。在RTOS中，全部任務都有優先級，優先級高的被調度器保證優先執行，以得到最短的響應時間。在與現實世界打交道的嵌入式系統中，這樣的功能每每是必要的。debug
操做系統一般須要中檔的硬件，8位的AVR稍差了一點，主頻和存儲容量達不到一些操做系統的要求，不過仍是有可選項的。咱們來試着在開發板上運行FreeRTOS。FreeRTOS是一個免費的、爲單片機設計的RTOS，是目前嵌入式市場佔有率第二的操做系統，僅次於Linux。
首先去官網下載代碼。下載的是一個.zip壓縮包，找到FreeRTOS文件夾，目錄下Demo和Source中的部分代碼是須要使用的。做爲一個跨平臺的系統，大多數代碼平臺無關，只存一份，其餘平臺相關的代碼，每一個平臺都有獨立的實現，源碼是demo都是如此，這使得代碼組織有些複雜，你能夠參考官方文檔。
官方提供了ATmega323單片機的demo，爲了在開發板上運行，須要作一些修改。demo基於WinAVR平臺，它與Atmel Studio同樣，都是基於avr-gcc的。若是你有WinAVR的話，直接用makefile就能夠編譯；Atmel Studio雖然也提供了make，但有些微區別，無法直接用makefile，所以咱們本身創建項目來編譯。
新建項目，而後在Solution Explorer中建3個文件夾：
source、port和demo。拷貝一些文件到這些目錄下：
source：\Source\include\全部文件、\Source\下的tasks.c、queue.c、list.c和croutine.c；port：\Source\portable\GCC\ATmega323\全部文件和\Source\portable\MemMang`下的heap_1.c；demo：\Demo\Common\include\全部文件、\Demo\Common\Minimal\下的crflash.c、integer.c、PollQ.c和comtest.c、\Demo\AVR_ATMega323_WinAVR\除makefile之外的全部文件，再把ParTest.c和serial.c拎出來，main.c拎到外面。
我是怎麼知道的呢？我參考了官方文檔和
makefile文件。在Solution Explorer中Add Existing Item，在項目屬性->Toolchain->AVR/GNU C Compiler->Directories中添加這三個目錄。
修改代碼，使之適用於咱們的開發板：
修改的理由有如下幾種：
ATmega323和ATmega324的寄存器略有不一樣；
WinAVR和Atmel Studio提供的工具鏈中的一些定義方式不一樣；
硬件配置與鏈接不一樣。
因此須要作如下修改：
port.c中：TIMSK改成TIMSK1；SIG_OUTPUT_COMPARE1A改成TIMER1_COMPA_vect；54行改成0x02；FreeRTOSConfig.h中：48行改成25000000；serial.c中：UDR、UCSRB、UCSRC、UBRRL、UBRRH分別改成UDR0、UCSR0B、UCSR0C、UBRR0L、UBRR0H；67行改成0x00；188行改成ISR(USART0_RX_vect)；207行改成ISR(USART0_UDRE_vect)；comtest.c中：71行改成4；72行改成2；ParTest.c中：DDRB改成DDRC；PORTB改成PORTC；49行改成0x00；50行改成3；72和99行把uxLED改成(4 + uxLED)；76行把if和else的大括號中的語句對調；main.c中：刪除81和84行；111行改成0；117行改成3；127行改成2；153行返回類型改成int。
不出意外的話，如今代碼能夠經過編譯了（我這裏有3個warning）。下載到單片機上，鏈接TX和RX，你會發現紅燈和黃燈分別以300ms和400ms爲週期閃爍，綠燈和串口黃燈一塊兒閃爍，藍燈不亮。
實際上，程序建立了1個整數計算、2個串口收發、2個隊列收發、2個寄存器測試、1個錯誤檢查和1個空閒共9個任務，以及2個LED閃爍協程。每過一毫秒，定時器產生一次中斷，任務調度器暫停當前任務，換一個任務開始運行。爲了理解這個過程，咱們先介紹上下文這個概念。
一個任務在執行的過程當中，須要一些臨時變量，它們有的保存在棧上（棧是內存中的一塊區域，寄存器SP指向棧頂），有的在寄存器中；此外，條件分支語句還要用到寄存器SREG中的位，這些位在以前的語句中被置位或清零；還有記錄當前程序執行到哪的程序計數器。這些一塊兒構成了任務執行的上下文：寄存器r0到r31、SREG、SP和PC。不一樣任務的上下文是不共享的，但它們卻要佔用相同的位置，爲此，在切換任務時須要把前一個上下文保存起來，並恢復要切換到的任務的上下文，這個過程稱爲上下文切換，而後才能繼續這個任務。
咱們來結合代碼分析一下這個過程。
void TIMER1_COMPA_vect( void ) __attribute__ ( ( signal, naked ) );
void TIMER1_COMPA_vect( void )
{
vPortYieldFromTick();
asm volatile ( "reti" );
}
void vPortYieldFromTick( void ) __attribute__ ( ( naked ) );
void vPortYieldFromTick( void )
{
portSAVE_CONTEXT();
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
vTaskSwitchContext();
}
portRESTORE_CONTEXT();
asm volatile ( "ret" );
}
typedef void TCB_t;
extern volatile TCB_t * volatile pxCurrentTCB;
#define portSAVE_CONTEXT() \
asm volatile ( "push r0 \n\t" \
"in r0, __SREG__ \n\t" \
"cli \n\t" \
"push r0 \n\t" \
"push r1 \n\t" \
"clr r1 \n\t" \
"push r2 \n\t" \
"push r3 \n\t" \
"push r4 \n\t" \
"push r5 \n\t" \
"push r6 \n\t" \
"push r7 \n\t" \
"push r8 \n\t" \
"push r9 \n\t" \
"push r10 \n\t" \
"push r11 \n\t" \
"push r12 \n\t" \
"push r13 \n\t" \
"push r14 \n\t" \
"push r15 \n\t" \
"push r16 \n\t" \
"push r17 \n\t" \
"push r18 \n\t" \
"push r19 \n\t" \
"push r20 \n\t" \
"push r21 \n\t" \
"push r22 \n\t" \
"push r23 \n\t" \
"push r24 \n\t" \
"push r25 \n\t" \
"push r26 \n\t" \
"push r27 \n\t" \
"push r28 \n\t" \
"push r29 \n\t" \
"push r30 \n\t" \
"push r31 \n\t" \
"lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"in r0, 0x3d \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
"in r0, 0x3e \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
);
#define portRESTORE_CONTEXT() \
asm volatile ( "lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"ld r28, x+ \n\t" \
"out __SP_L__, r28 \n\t" \
"ld r29, x+ \n\t" \
"out __SP_H__, r29 \n\t" \
"pop r31 \n\t" \
"pop r30 \n\t" \
"pop r29 \n\t" \
"pop r28 \n\t" \
"pop r27 \n\t" \
"pop r26 \n\t" \
"pop r25 \n\t" \
"pop r24 \n\t" \
"pop r23 \n\t" \
"pop r22 \n\t" \
"pop r21 \n\t" \
"pop r20 \n\t" \
"pop r19 \n\t" \
"pop r18 \n\t" \
"pop r17 \n\t" \
"pop r16 \n\t" \
"pop r15 \n\t" \
"pop r14 \n\t" \
"pop r13 \n\t" \
"pop r12 \n\t" \
"pop r11 \n\t" \
"pop r10 \n\t" \
"pop r9 \n\t" \
"pop r8 \n\t" \
"pop r7 \n\t" \
"pop r6 \n\t" \
"pop r5 \n\t" \
"pop r4 \n\t" \
"pop r3 \n\t" \
"pop r2 \n\t" \
"pop r1 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
"out __SREG__, r0 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
);
在定時器中斷TIMER1_COMPA_vect中，vPortYieldFromTick被調用，其中依次調用portSAVE_CONTEXT、xTaskIncrementTick、vTaskSwitchContext（可能不調用）和portRESTORE_CONTEXT，執行彙編語句ret；最後執行reti。
在介紹中斷的時候，咱們提到過編譯器添加的額外代碼，把用到的寄存器都push進棧。可是，編譯器只會保護該中斷用到的寄存器，而上下文包括全部寄存器，須要手動地編寫代碼，那麼也就無需編譯器添加多餘的代碼了。函數TIMER1_COMPA_vect被添加attributenaked，表示無需添加任何代碼，把用戶編寫的原本來本地編進去就夠了。
進入中斷時，PC被push進棧（這是硬件作的），PC內容變爲TIMER1_COMPA_vect的地址，隨後開始執行，PC再次push進棧（沒有在圖片中表示出來），開始執行portSAVE_CONTEXT保存上下文。因爲它是宏，就沒有PC進棧的過程。
而後，r0、SREG、r1到r31依次進棧，上下文的內容保存完成，其位置還須要另存。SP指向棧頂，表明着上下文的位置，它被複制到pxCurrentTCB所指的位置中。pxCurrentTCB其實是結構體TCB_t指針，該結構體保存着當前執行的任務的信息，前兩個字節保存棧指針。這樣，上下文就保存完成了。
xTaskIncrementTick把軟件計數器加1，並檢查是否須要任務切換。爲了講解，咱們假定它須要，那麼vTaskSwitchContext就會被調用，pxCurrentTCB指向另外一個TCB_t變量，那裏保存着另外一個任務的上下文，咱們要恢復它。
恢復過程是，先用pxCurrentTCB取出SP，再按相反的順序出棧，上下文中就只剩PC沒有恢復了（ret和vPortYieldFromTick的調用抵消，一塊兒忽略）。最後執行reti，該彙編語句從棧頂取兩個字節放進PC，並跳轉到其位置繼續執行。此時，PC的內容就是該任務以前被中斷時執行到的位置，如今從PC開始繼續執行，也就是繼續執行該任務。上下文切換完成。
在對FreeRTOS稍有了解後，咱們動手寫一個基於FreeRTOS的程序。在學習數碼管的時候，你極可能考慮過，在後臺建立一個任務，執行數碼管的掃描。如今，FreeRTOS給了你這個機會。咱們建立兩個任務，一個每一毫秒顯示數碼管的一位，另外一個每200毫秒更新顯示的數字。
#include <stdlib.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include <ee2/segment.h>
SemaphoreHandle_t mutex;
portTASK_FUNCTION(segment_scan, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t digit = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_display(digit);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++digit == 2)
digit = 0;
vTaskDelay(1);
}
}
portTASK_FUNCTION(segment_set, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t number = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_dec(number);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++number == 100)
number = 0;
vTaskDelay(200);
}
}
int main()
{
segment_init(PIN_8, PIN_9);
mutex = xSemaphoreCreateMutex();
xTaskCreate(segment_scan, "scan", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(segment_set, "set", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);
vTaskStartScheduler();
return 0;
}
兩個任務都須要使用數碼管這一資源。若是一個任務正在調用segment_dec，還沒返回時，定時器中斷髮生，切換到另外一個任務，其中調用了segment_display，就會發生衝突。咱們用一個互斥量mutex來解決。當一個任務調用了xSemaphoreTake後，在它調用xSemaphoreGive前，mutex會進入鎖定狀態，若是另外一個任務試圖調用xSemaphoreTake，則會阻塞住，切換到另外一個任務。這樣就保證兩個任務不會衝突。資源共享是並行程序要着重處理的問題之一。
FreeRTOS還有不少功能等待你去發掘，RTOS就更多了。最後，咱們來談談RTOS的長處和短處。
RTOS是多任務的，這是對代碼順序執行的編程模型的顛覆，使程序能夠實現更多功能，好比兩個連續的（不調用delay之類的函數的）任務同時執行。即便是大多數狀況下中斷能夠解決的問題，RTOS的引入也能讓你更快地實現相同功能，這既體如今編程思路的改進，還有現成API可供使用，提升開發效率。若是涉及到程序在平臺間的移植，RTOS能提供的幫助就更多了。
RTOS是事件驅動的，儘管表面上不太看得出來。這也能帶來一些收益，咱們將在本文最後一節進行分析。
然而，RTOS的運行負擔較大，包括時間和空間，好比在AVR平臺上，一次任務調度至少須要100多個指令週期。在應用自己不太複雜的狀況下，這一點尤其嚴重，須要根據應用決定是否使用。我把RTOS安排到了最後一篇，顯然是建議在AVR單片機開發中，儘量不要使用RTOS。
最後，RTOS對我的發展是有好處的。Linux儘管不是RTOS，做爲安裝量最大的操做系統內核，是嵌入式開發者必須精通的。各類RTOS與Linux同樣都是操做系統，無非是調度策略不一樣（Linux也有實時的），不少內容都是相通的。學習RTOS對學習Linux有很大幫助，這對你的嵌入式道路是有益無害的。
C++
未完待續……
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- 2. AVR單片機教程——矩陣鍵盤
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