AVR单片机教程——走向高层
本文隶属于AVR单片机教程系列。html
在系列教程的最后一篇中，我将向你推荐3个能够深造的方向：RTOS、C++、事件驱动。掌握这些技术能够帮助你更快、更好地开发更大的项目。git
本文涉及到许多概念性的内容，若是你有不一样意见，欢迎讨论。编程
关于高层
这一篇教程叫做“走向高层”。什么是高层？函数
我认为，若是寥寥几行代码就能实现一个复杂功能，或者一行代码能够对应到几百句汇编，那么你就站在高层。高层与底层是相对的概念，没有绝对的界限。工具
站得高，看得远，这一样适用于编程，咱们要走向高层。高层是对底层的封装，是对现实的抽象，高层相比于底层更加贴近应用。站在高层，你能够看到不少底层看不到的东西，主要有编程工具和思路。合理利用工具，能够简化代码，下降工做量；用合适的思路编程，更能够事半功倍。学习
可是，掌握高层并不意味着忽视甚至鄙视底层，高层创建在底层基础之上。其一，有些高层出现的诡异现象能够追溯到底层，这样的debug任务只有通晓底层与高层的开发者才能胜任；其二，为了让高层实现复杂功能的同时得到可接受的运行效率，底层必须设计地更加精致，这就对底层提出了更高的要求。测试
相信你通过一期和二期的教程，已经至关熟悉AVR编程的底层了。跟我一块儿走上高层吧！ui
RTOS
实时操做系统（RTOS）是一类操做系统。带有操做系统的计算机系统相比不带有的，最显著的特色是支持多任务。咱们以前写的程序，在监控按键的同时，开了一个定时器中断用于数码管动态扫描，两个任务同时进行，是多任务吗？不彻底是。监控按键与动态扫描两个任务只有一个能够占据main函数，另外一个必须放在中断里，中断里的任务不能执行太长时间，不然就会干扰main函数的运行。而操做系统中的任务调度器能够给每一个任务分配必定的运行时间，CPU一会执行这个，一会执行那个，每一个任务都好像独占了CPU连续执行同样。操作系统
RTOS与其余操做系统的主要区别在于任务调度器的设计。在RTOS中，全部任务都有优先级，优先级高的被调度器保证优先执行，以得到最短的响应时间。在与现实世界打交道的嵌入式系统中，这样的功能每每是必要的。debug
操做系统一般须要中档的硬件，8位的AVR稍差了一点，主频和存储容量达不到一些操做系统的要求，不过仍是有可选项的。咱们来试着在开发板上运行FreeRTOS。FreeRTOS是一个免费的、为单片机设计的RTOS，是目前嵌入式市场占有率第二的操做系统，仅次于Linux。
首先去官网下载代码。下载的是一个.zip压缩包，找到FreeRTOS文件夹，目录下Demo和Source中的部分代码是须要使用的。做为一个跨平台的系统，大多数代码平台无关，只存一份，其余平台相关的代码，每一个平台都有独立的实现，源码是demo都是如此，这使得代码组织有些复杂，你能够参考官方文档。
官方提供了ATmega323单片机的demo，为了在开发板上运行，须要作一些修改。demo基于WinAVR平台，它与Atmel Studio同样，都是基于avr-gcc的。若是你有WinAVR的话，直接用makefile就能够编译；Atmel Studio虽然也提供了make，但有些微区别，无法直接用makefile，所以咱们本身创建项目来编译。
新建项目，而后在Solution Explorer中建3个文件夹：
source、port和demo。拷贝一些文件到这些目录下：
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拎出来，main.c拎到外面。
我是怎么知道的呢？我参考了官方文档和
makefile文件。在Solution Explorer中Add Existing Item，在项目属性->Toolchain->AVR/GNU C Compiler->Directories中添加这三个目录。
修改代码，使之适用于咱们的开发板：
修改的理由有如下几种：
ATmega323和ATmega324的寄存器略有不一样；
WinAVR和Atmel Studio提供的工具链中的一些定义方式不一样；
硬件配置与链接不一样。
因此须要作如下修改：
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分别改成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的大括号中的语句对调；main.c中：删除81和84行；111行改成0；117行改成3；127行改成2；153行返回类型改成int。
不出意外的话，如今代码能够经过编译了（我这里有3个warning）。下载到单片机上，链接TX和RX，你会发现红灯和黄灯分别以300ms和400ms为周期闪烁，绿灯和串口黄灯一块儿闪烁，蓝灯不亮。
实际上，程序建立了1个整数计算、2个串口收发、2个队列收发、2个寄存器测试、1个错误检查和1个空闲共9个任务，以及2个LED闪烁协程。每过一毫秒，定时器产生一次中断，任务调度器暂停当前任务，换一个任务开始运行。为了理解这个过程，咱们先介绍上下文这个概念。
一个任务在执行的过程当中，须要一些临时变量，它们有的保存在栈上（栈是内存中的一块区域，寄存器SP指向栈顶），有的在寄存器中；此外，条件分支语句还要用到寄存器SREG中的位，这些位在以前的语句中被置位或清零；还有记录当前程序执行到哪的程序计数器。这些一块儿构成了任务执行的上下文：寄存器r0到r31、SREG、SP和PC。不一样任务的上下文是不共享的，但它们却要占用相同的位置，为此，在切换任务时须要把前一个上下文保存起来，并恢复要切换到的任务的上下文，这个过程称为上下文切换，而后才能继续这个任务。
咱们来结合代码分析一下这个过程。
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" \
);
在定时器中断TIMER1_COMPA_vect中，vPortYieldFromTick被调用，其中依次调用portSAVE_CONTEXT、xTaskIncrementTick、vTaskSwitchContext（可能不调用）和portRESTORE_CONTEXT，执行汇编语句ret；最后执行reti。
在介绍中断的时候，咱们提到过编译器添加的额外代码，把用到的寄存器都push进栈。可是，编译器只会保护该中断用到的寄存器，而上下文包括全部寄存器，须要手动地编写代码，那么也就无需编译器添加多余的代码了。函数TIMER1_COMPA_vect被添加attributenaked，表示无需添加任何代码，把用户编写的原本来本地编进去就够了。
进入中断时，PC被push进栈（这是硬件作的），PC内容变为TIMER1_COMPA_vect的地址，随后开始执行，PC再次push进栈（没有在图片中表示出来），开始执行portSAVE_CONTEXT保存上下文。因为它是宏，就没有PC进栈的过程。
而后，r0、SREG、r1到r31依次进栈，上下文的内容保存完成，其位置还须要另存。SP指向栈顶，表明着上下文的位置，它被复制到pxCurrentTCB所指的位置中。pxCurrentTCB其实是结构体TCB_t指针，该结构体保存着当前执行的任务的信息，前两个字节保存栈指针。这样，上下文就保存完成了。
xTaskIncrementTick把软件计数器加1，并检查是否须要任务切换。为了讲解，咱们假定它须要，那么vTaskSwitchContext就会被调用，pxCurrentTCB指向另外一个TCB_t变量，那里保存着另外一个任务的上下文，咱们要恢复它。
恢复过程是，先用pxCurrentTCB取出SP，再按相反的顺序出栈，上下文中就只剩PC没有恢复了（ret和vPortYieldFromTick的调用抵消，一块儿忽略）。最后执行reti，该汇编语句从栈顶取两个字节放进PC，并跳转到其位置继续执行。此时，PC的内容就是该任务以前被中断时执行到的位置，如今从PC开始继续执行，也就是继续执行该任务。上下文切换完成。
在对FreeRTOS稍有了解后，咱们动手写一个基于FreeRTOS的程序。在学习数码管的时候，你极可能考虑过，在后台建立一个任务，执行数码管的扫描。如今，FreeRTOS给了你这个机会。咱们建立两个任务，一个每一毫秒显示数码管的一位，另外一个每200毫秒更新显示的数字。
#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;
}
两个任务都须要使用数码管这一资源。若是一个任务正在调用segment_dec，还没返回时，定时器中断发生，切换到另外一个任务，其中调用了segment_display，就会发生冲突。咱们用一个互斥量mutex来解决。当一个任务调用了xSemaphoreTake后，在它调用xSemaphoreGive前，mutex会进入锁定状态，若是另外一个任务试图调用xSemaphoreTake，则会阻塞住，切换到另外一个任务。这样就保证两个任务不会冲突。资源共享是并行程序要着重处理的问题之一。
FreeRTOS还有不少功能等待你去发掘，RTOS就更多了。最后，咱们来谈谈RTOS的长处和短处。
RTOS是多任务的，这是对代码顺序执行的编程模型的颠覆，使程序能够实现更多功能，好比两个连续的（不调用delay之类的函数的）任务同时执行。即便是大多数状况下中断能够解决的问题，RTOS的引入也能让你更快地实现相同功能，这既体如今编程思路的改进，还有现成API可供使用，提升开发效率。若是涉及到程序在平台间的移植，RTOS能提供的帮助就更多了。
RTOS是事件驱动的，尽管表面上不太看得出来。这也能带来一些收益，咱们将在本文最后一节进行分析。
然而，RTOS的运行负担较大，包括时间和空间，好比在AVR平台上，一次任务调度至少须要100多个指令周期。在应用自己不太复杂的状况下，这一点尤其严重，须要根据应用决定是否使用。我把RTOS安排到了最后一篇，显然是建议在AVR单片机开发中，尽量不要使用RTOS。
最后，RTOS对我的发展是有好处的。Linux尽管不是RTOS，做为安装量最大的操做系统内核，是嵌入式开发者必须精通的。各类RTOS与Linux同样都是操做系统，无非是调度策略不一样（Linux也有实时的），不少内容都是相通的。学习RTOS对学习Linux有很大帮助，这对你的嵌入式道路是有益无害的。
C++
未完待续……
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