單片機/嵌入式系統程序架構總結

時間 2020-05-18

標籤單片機嵌入系統程序架構總結欄目系統架構简体版

原文原文鏈接

在工做中通過摸索實驗，總結出單片機大體應用程序的架構有三種：html

1. 簡單的先後臺順序執行程序，這類寫法是大多數人使用的方法，不需用思考程序的具體架構，直接經過執行順序編寫應用程序便可。數據結構

2. 時間片輪詢法，此方法是介於順序執行與操做系統之間的一種方法。架構

3. 操做系統，此法應該是應用程序編寫的最高境界。函數

下面就分別談談這三種方法的利弊和適應範圍等。學習

1、順序執行法

這種方法，這應用程序比較簡單，實時性，並行性要求不過高的狀況下是不錯的方法，程序設計簡單，思路比較清晰。可是當應用程序比較複雜的時候，若是沒有一個完整的流程圖，恐怕別人很難看懂程序的運行狀態，並且隨着程序功能的增長，編寫應用程序的工程師的大腦也開始混亂。即不利於升級維護，也不利於代碼優化。本人寫個幾個比較複雜一點的應用程序，剛開始就是使用此法，最終雖然可以實現功能，可是本身的思惟一直處於混亂狀態。致使程序一直不能讓本身滿意。優化

這種方法大多數人都會採用，並且咱們接受的教育也基本都是使用此法。對於咱們這些基本沒有學習過數據結構，程序架構的單片機工程師來講，無疑很難在應用程序的設計上有一個很大的提升，也致使了不一樣工程師編寫的應用程序很難相互利於和學習。ui

本人建議，若是喜歡使用此法的網友，若是編寫比較複雜的應用程序，必定要先理清頭腦，設計好完整的流程圖再編寫程序，不然後果很嚴重。固然應該程序自己很簡單，此法仍是一個很是必須的選擇。spa

下面就寫一個順序執行的程序模型，方便和下面兩種方法對比：操作系統

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : main()
 3 * Description    : 主函數
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 
 8 int main(void) 
 9 { 
10     uint8 keyValue;
11 
12     InitSys();                  // 初始化
13 
14     while (1)
15     {
16         TaskDisplayClock();
17         keyValue = TaskKeySan();
18         switch (keyValue)
19        {
20             case x: TaskDispStatus(); break;
21             ...
22             default: break;
23         }
24     }
25 }

2、時間片輪詢法

時間片輪詢法，在不少書籍中有提到，並且有不少時候都是與操做系統一塊兒出現，也就是說不少時候是操做系統中使用了這一方法。不過咱們這裏要說的這個時間片輪詢法並非掛在操做系統下，而是在先後臺程序中使用此法。也是本貼要詳細說明和介紹的方法。設計

對於時間片輪詢法，雖然有很多書籍都有介紹，但大多說得並不系統，只是提提概念而已。下面本人將詳細介紹這種模式，並參考別人的代碼創建的一個時間片輪詢架構程序的方法，我想將給初學者有必定的借鑑性。

在這裏咱們先介紹一下定時器的複用功能

使用1個定時器，能夠是任意的定時器，這裏不作特殊說明，下面假設有3個任務，那麼咱們應該作以下工做：

1. 初始化定時器，這裏假設定時器的定時中斷爲1ms(固然你能夠改爲10ms，這個和操做系統同樣，中斷過於頻繁效率就低，中斷太長，實時性差)。

2. 定義一個數值：

1 #define TASK_NUM   (3)                  //  這裏定義的任務數爲3，表示有三個任務會使用此定時器定時。
2 
3 uint16 TaskCount[TASK_NUM] ;           //  這裏爲三個任務定義三個變量來存放定時值
4 uint8  TaskMark[TASK_NUM];             //  一樣對應三個標誌位，爲0表示時間沒到，爲1表示定時時間到。

3. 在定時器中斷服務函數中添加：

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName : TimerInterrupt()
 3 * Description : 定時中斷服務函數
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue : None
 6 **************************************************************************************/
 7 void TimerInterrupt(void)
 8 {
 9     uint8 i;
10 
11     for (i=0; i<TASKS_NUM; i++) 
12     {
13         if (TaskCount[i]) 
14         {
15               TaskCount[i]--; 
16               if (TaskCount[i] == 0) 
17               {
18                     TaskMark[i] = 0x01; 
19               }
20         }
21    }
22 }

代碼解釋：定時中斷服務函數，在中斷中逐個判斷，若是定時值爲0了，表示沒有使用此定時器或此定時器已經完成定時，不着處理。不然定時器減一，知道爲零時，相應標誌位值1，表示此任務的定時值到了。

4. 在咱們的應用程序中，在須要的應用定時的地方添加以下代碼，下面就以任務1爲例：

1 TaskCount[0] = 20;       // 延時20ms
2 TaskMark[0]  = 0x00;     // 啓動此任務的定時器

到此咱們只須要在任務中判斷TaskMark[0] 是否爲0x01便可。其餘任務添加相同，至此一個定時器的複用問題就實現了。用須要的朋友能夠試試，效果不錯哦。。。。。。。。。。。

經過上面對1個定時器的複用咱們能夠看出，在等待一個定時的到來的同時咱們能夠循環判斷標誌位，同時也能夠去執行其餘函數。

循環判斷標誌位：
那麼咱們能夠想一想，若是循環判斷標誌位，是否是就和上面介紹的順序執行程序是同樣的呢？一個大循環，只是這個延時比普通的for循環精確一些，能夠實現精確延時。

執行其餘函數：
那麼若是咱們在一個函數延時的時候去執行其餘函數，充分利用CPU時間，是否是和操做系統有些相似了呢？可是操做系統的任務管理和切換是很是複雜的。下面咱們就將利用此方法架構一直新的應用程序。

時間片輪詢法的架構：

1.設計一個結構體：

1 // 任務結構
2 typedef struct _TASK_COMPONENTS
3 {
4     uint8 Run;                 // 程序運行標記：0-不運行，1運行
5     uint8 Timer;              // 計時器
6     uint8 ItvTime;              // 任務運行間隔時間
7     void (*TaskHook)(void);    // 要運行的任務函數
8 } TASK_COMPONENTS;       // 任務定義

這個結構體的設計很是重要，一個用4個參數，註釋說的很是詳細，這裏不在描述。

2. 任務運行標誌出來，此函數就至關於中斷服務函數，須要在定時器的中斷服務函數中調用此函數，這裏獨立出來，並於移植和理解。

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : TaskRemarks()
 3 * Description    : 任務標誌處理
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 void TaskRemarks(void)
 8 {
 9     uint8 i;
10     for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)          // 逐個任務時間處理
11     {
12          if (TaskComps[i].Timer)          // 時間不爲0
13         {
14             TaskComps[i].Timer--;         // 減去一個節拍
15             if (TaskComps[i].Timer == 0)       // 時間減完了
16             {
17                  TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime;       // 恢復計時器值，重新下一次
18                  TaskComps[i].Run = 1;           // 任務能夠運行
19             }
20         }
21    }
22 }

你們認真對比一下次函數，和上面定時複用的函數是否是同樣的呢？

3. 任務處理：

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : TaskProcess()
 3 * Description    : 任務處理
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 void TaskProcess(void)
 8 {
 9     uint8 i;
10     for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)           // 逐個任務時間處理
11     {
12          if (TaskComps[i].Run)           // 時間不爲0
13         {
14              TaskComps[i].TaskHook();         // 運行任務
15              TaskComps[i].Run = 0;          // 標誌清0
16         }
17     }   
18 }

此函數就是判斷何時該執行那一個任務了，實現任務的管理操做，應用者只須要在main()函數中調用此函數就能夠了，並不須要去分別調用和處理任務函數。

到此，一個時間片輪詢應用程序的架構就建好了，你們看看是否是很是簡單呢？此架構只須要兩個函數，一個結構體，爲了應用方面下面將再創建一個枚舉型變量。

下面就說說怎樣應用吧，假設咱們有三個任務：時鐘顯示，按鍵掃描，和工做狀態顯示。

1. 定義一個上面定義的那種結構體變量：

 1 /**************************************************************************************
 2 * Variable definition                            
 3 **************************************************************************************/
 4 static TASK_COMPONENTS TaskComps[] = 
 5 {
 6     {0, 60, 60, TaskDisplayClock},            // 顯示時鐘
 7     {0, 20, 20, TaskKeySan},               // 按鍵掃描
 8     {0, 30, 30, TaskDispStatus},            // 顯示工做狀態
 9      // 這裏添加你的任務。。。。
10 };

在定義變量時，咱們已經初始化了值，這些值的初始化，很是重要，跟具體的執行時間優先級等都有關係，這個須要本身掌握。

①大概意思是，咱們有三個任務，沒1s執行如下時鐘顯示，由於咱們的時鐘最小單位是1s，因此在秒變化後才顯示一次就夠了。

②因爲按鍵在按下時會參數抖動，而咱們知道通常按鍵的抖動大概是20ms，那麼咱們在順序執行的函數中通常是延伸20ms，而這裏咱們每20ms掃描一次，是很是不錯的出來，即達到了消抖的目的，也不會漏掉按鍵輸入。

③爲了可以顯示按鍵後的其餘提示和工做界面，咱們這裏設計每30ms顯示一次，若是你以爲反應慢了，你可讓這些值小一點。後面的名稱是對應的函數名，你必須在應用程序中編寫這函數名稱和這三個同樣的任務。

2. 任務列表：

1 // 任務清單
2 typedef enum _TASK_LIST
3 {
4     TAST_DISP_CLOCK,            // 顯示時鐘
5     TAST_KEY_SAN,             // 按鍵掃描
6     TASK_DISP_WS,             // 工做狀態顯示
7      // 這裏添加你的任務。。。。
8      TASKS_MAX                                           // 總的可供分配的定時任務數目
9 } TASK_LIST;

好好看看，咱們這裏定義這個任務清單的目的其實就是參數TASKS_MAX的值，其餘值是沒有具體的意義的，只是爲了清晰的表面任務的關係而已。

3. 編寫任務函數：

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : TaskDisplayClock()
 3 * Description    : 顯示任務
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 void TaskDisplayClock(void)
 8 {
 9 
10 }
11 /**************************************************************************************
12 * FunctionName   : TaskKeySan()
13 * Description    : 掃描任務
14 * EntryParameter : None
15 * ReturnValue    : None
16 **************************************************************************************/
17 void TaskKeySan(void)
18 {
19 
20 }
21 /**************************************************************************************
22 * FunctionName   : TaskDispStatus()
23 * Description    : 工做狀態顯示
24 * EntryParameter : None
25 * ReturnValue    : None
26 **************************************************************************************/
27 void TaskDispStatus(void)
28 {
29 
30 }

// 這裏添加其餘任務。。。。。。。。。

如今你就能夠根據本身的須要編寫任務了。

4. 主函數：

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : main()
 3 * Description    : 主函數
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 int main(void) 
 8 { 
 9     InitSys();                  // 初始化
10     while (1)
11     {
12         TaskProcess();             // 任務處理
13     }
14 }

到此咱們的時間片輪詢這個應用程序的架構就完成了，你只須要在咱們提示的地方添加你本身的任務函數就能夠了。是否是很簡單啊，有沒有點操做系統的感受在裏面？

不防試試把，看看任務之間是否是相互並不干擾？並行運行呢？固然重要的是，還須要，注意任務之間進行數據傳遞時，須要採用全局變量，除此以外還須要注意劃分任務以及任務的執行時間，在編寫任務時，儘可能讓任務儘快執行完成。。。。。。。。

3、操做系統

操做系統的自己是一個比較複雜的東西，任務的管理，執行本事並不須要咱們去了解。可是光是移植都是一件很是困難的是，雖然有人說過「你若是使用過系統，將不會在去使用先後臺程序」。可是真正能使用操做系統的人並很少，不只是由於系統的使用自己很複雜，並且還須要購買許可證（ucos也不例外，若是商用的話）。

這裏本人並不想過多的介紹操做系統自己，由於不是一兩句話能過說明白的，下面列出UCOS下編寫應該程序的模型。你們能夠對比一下，這三種方式下的各自的優缺點。

 1 /**************************************************************************************
 2 * FunctionName   : main()
 3 * Description    : 主函數
 4 * EntryParameter : None
 5 * ReturnValue    : None
 6 **************************************************************************************/
 7 int main(void) 
 8 { 
 9     OSInit();                // 初始化uCOS-II
10     OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart,        // 任務指針
11                 (void   *) 0,            // 參數
12                 (OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
13                 (INT8U   ) TASK_START_PRIO);        // 任務優先級
14     OSStart();                                       // 啓動多任務環境
15                                         
16     return (0); 
17 }
18 
19 代 碼
20 /**************************************************************************************
21 * FunctionName   : TaskStart()          
22 * Description    : 任務建立，只建立任務，不完成其餘工做
23 * EntryParameter : None
24 * ReturnValue    : None
25 **************************************************************************************/
26 void TaskStart(void* p_arg)
27 {
28     OS_CPU_SysTickInit();                                       // Initialize the SysTick.
29 #if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
30     OSStatInit();                                               // 這東西能夠測量CPU使用量 
31 #endif
32 OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed,     // 任務1
33                 (void   *) 0,               // 不帶參數
34                 (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1],  // 堆棧指針
35                 (INT8U   ) TASK_LED_PRIO);         // 優先級
36 // Here the task of creating your
37                 
38     while (1)
39     {
40         OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
41     }
42 }