一文搞懂單片機應用程序架構

對於單片機程序來講，你們都不陌生，可是真正使用架構，考慮架構的恐怕並很少，隨着程序開發的不斷增多，本人以爲架構是很是必要的。前不就發帖與你們一塊兒討論了一下怎樣架構你的單片機程序，發現真正使用架構的並不都，並且這類書籍基本沒有。

 

本人通過摸索實驗並總結，大體應用程序的架構有三種：

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。

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。

3. 操做系統，此法應該是應用程序編寫的最高境界。

下面就分別談談這三種方法的利弊和適應範圍等。

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。

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。

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。

下面就寫一個順序執行的程序模型，方面和下面兩種方法對比：

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

 

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。

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本人模式，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。

記得在前不久本人發帖《1個定時器多處複用的問題》，因爲時間的問題，並無詳細說明怎樣實現1個定時器多處複用。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. uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 這裏爲三個任務定義三個變量來存放定時值
3. 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. for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
11. {
12. if (TaskCount[i])
13. {
14. TaskCount[i]--;
15. if (TaskCount[i] == 0)
16. {
17. TaskMark[i] = 0x01;
18. }
19. }
20. }
21. }

 

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。

下面我就就說說怎樣應用吧，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. * FunctionName : TaskKeySan()
12. * Description : 掃描任務
13. * EntryParameter : None
14. * ReturnValue : None
15. **************************************************************************************/
16. void TaskKeySan(void)
17. {
18. }
19. /**************************************************************************************
20. * FunctionName : TaskDispStatus()
21. * Description : 工做狀態顯示
22. * EntryParameter : None
23. * ReturnValue : None
24. **************************************************************************************/
25. void TaskDispStatus(void)
26. {
27. }
28. // 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. }

 

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskStart()
3. * Description : 任務建立，只建立任務，不完成其餘工做
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskStart(void* p_arg)
8. {
9. OS_CPU_SysTickInit(); // Initialize the SysTick.
10. #if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
11. OSStatInit(); // 這東西能夠測量CPU使用量
12. #endif
13. OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任務1
14. (void *) 0, // 不帶參數
15. (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
16. (INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 優先級
17. // Here the task of creating your
18.  
19. while (1)
20. {
21. OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
22. }
23. }

 

 

不難看出，時間片輪詢法優點仍是比較大的，即由順序執行法的優勢，也有操做系統的優勢。結構清晰，簡單，很是容易理解。