一文搞懂单片机应用程序架构

对于单片机程序来讲，你们都不陌生，可是真正使用架构，考虑架构的恐怕并很少，随着程序开发的不断增多，本人以为架构是很是必要的。前不就发帖与你们一块儿讨论了一下怎样架构你的单片机程序，发现真正使用架构的并不都，并且这类书籍基本没有。

 

本人通过摸索实验并总结，大体应用程序的架构有三种：

1. 简单的先后台顺序执行程序，这类写法是大多数人使用的方法，不需用思考程序的具体架构，直接经过执行顺序编写应用程序便可。

2. 时间片轮询法，此方法是介于顺序执行与操做系统之间的一种方法。

3. 操做系统，此法应该是应用程序编写的最高境界。

下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。

1

顺序执行法：

 

这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不过高的状况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。可是当应用程序比较复杂的时候，若是没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，并且随着程序功能的增长，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然可以实现功能，可是本身的思惟一直处于混乱状态。致使程序一直不能让本身满意。

这种方法大多数人都会采用，并且咱们接受的教育也基本都是使用此法。对于咱们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来讲，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提升，也致使了不一样工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

本人建议，若是喜欢使用此法的网友，若是编写比较复杂的应用程序，必定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，不然后果很严重。固然应该程序自己很简单，此法仍是一个很是必须的选择。

下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : main()
3. * Description : 主函数
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

时间片轮询法

 

时间片轮询法，在不少书籍中有提到，并且有不少时候都是与操做系统一块儿出现，也就是说不少时候是操做系统中使用了这一方法。不过咱们这里要说的这个时间片轮询法并非挂在操做系统下，而是在先后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。

对于时间片轮询法，虽然有很多书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码创建的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有必定的借鉴性。

记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，因为时间的问题，并无详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里咱们先介绍一下定时器的复用功能。

使用1个定时器，能够是任意的定时器，这里不作特殊说明，下面假设有3个任务，那么咱们应该作以下工做：

1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(固然你能够改为10ms，这个和操做系统同样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。

2. 定义一个数值：

1. #define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。
2. uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
3. uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 一样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。

 

3. 在定时器中断服务函数中添加：

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TimerInterrupt()
3. * Description : 定时中断服务函数
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. }

 

代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，若是定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。不然定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。

4. 在咱们的应用程序中，在须要的应用定时的地方添加以下代码，下面就以任务1为例：

1. TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
2. TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器

 

到此咱们只须要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01便可。其余任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用须要的朋友能够试试，效果不错哦。

经过上面对1个定时器的复用咱们能够看出，在等待一个定时的到来的同时咱们能够循环判断标志位，同时也能够去执行其余函数。

循环判断标志位：

那么咱们能够想一想，若是循环判断标志位，是否是就和上面介绍的顺序执行程序是同样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，能够实现精确延时。

执行其余函数：

那么若是咱们在一个函数延时的时候去执行其余函数，充分利用CPU时间，是否是和操做系统有些相似了呢？可是操做系统的任务管理和切换是很是复杂的。下面咱们就将利用此方法架构一直新的应用程序。

时间片轮询法的架构：

1.设计一个结构体：

1. // 任务结构
2. typedef struct _TASK_COMPONENTS
3. {
4. uint8 Run; // 程序运行标记：0-不运行，1运行
5. uint8 Timer; // 计时器
6. uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
7. void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
8. } TASK_COMPONENTS; // 任务定义

 

这个结构体的设计很是重要，一个用4个参数，注释说的很是详细，这里不在描述。

2. 任务运行标志出来，此函数就至关于中断服务函数，须要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskRemarks()
3. * Description : 任务标志处理
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskRemarks(void)
8. {
9. uint8 i;
10. for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
11. {
12. if (TaskComps[i].Timer) // 时间不为0
13. {
14. TaskComps[i].Timer--; // 减去一个节拍
15. if (TaskComps[i].Timer == 0) // 时间减完了
16. {
17. TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢复计时器值，重新下一次
18. TaskComps[i].Run = 1; // 任务能够运行
19. }
20. }
21. }
22. }

 

你们认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是否是同样的呢？

3. 任务处理

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskProcess()
3. * Description : 任务处理
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskProcess(void)
8. {
9. uint8 i;
10. for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
11. {
12. if (TaskComps[i].Run) // 时间不为0
13. {
14. TaskComps[i].TaskHook(); // 运行任务
15. TaskComps[i].Run = 0; // 标志清0
16. }
17. }
18. }

 

此函数就是判断何时该执行那一个任务了，实现任务的管理操做，应用者只须要在main()函数中调用此函数就能够了，并不须要去分别调用和处理任务函数。

到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，你们看看是否是很是简单呢？此架构只须要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再创建一个枚举型变量。

下面我就就说说怎样应用吧，假设咱们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工做状态显示。

1. 定义一个上面定义的那种结构体变量

1. /**************************************************************************************
2. * Variable definition
3. **************************************************************************************/
4. static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
5. {
6. {0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
7. {0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
8. {0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工做状态
9. // 这里添加你的任务。。。。
10. };

 

在定义变量时，咱们已经初始化了值，这些值的初始化，很是重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个须要本身掌握。

①大概意思是，咱们有三个任务，没1s执行如下时钟显示，由于咱们的时钟最小单位是1s，因此在秒变化后才显示一次就够了。

②因为按键在按下时会参数抖动，而咱们知道通常按键的抖动大概是20ms，那么咱们在顺序执行的函数中通常是延伸20ms，而这里咱们每20ms扫描一次，是很是不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。

③为了可以显示按键后的其余提示和工做界面，咱们这里设计每30ms显示一次，若是你以为反应慢了，你可让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个同样的任务。

2. 任务列表

1. // 任务清单
2. typedef enum _TASK_LIST
3. {
4. TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
5. TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
6. TASK_DISP_WS, // 工做状态显示
7. // 这里添加你的任务。。。。
8. TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
9. } TASK_LIST;

 

好好看看，咱们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其余值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。

3. 编写任务函数

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskDisplayClock()
3. * Description : 显示任务
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskDisplayClock(void)
8. {
9. }
10. /**************************************************************************************
11. * FunctionName : TaskKeySan()
12. * Description : 扫描任务
13. * EntryParameter : None
14. * ReturnValue : None
15. **************************************************************************************/
16. void TaskKeySan(void)
17. {
18. }
19. /**************************************************************************************
20. * FunctionName : TaskDispStatus()
21. * Description : 工做状态显示
22. * EntryParameter : None
23. * ReturnValue : None
24. **************************************************************************************/
25. void TaskDispStatus(void)
26. {
27. }
28. // 这里添加其余任务。

 

如今你就能够根据本身的须要编写任务了。

4. 主函数

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

 

到此咱们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只须要在咱们提示的地方添加你本身的任务函数就能够了。是否是很简单啊，有没有点操做系统的感受在里面？

不防试试把，看看任务之间是否是相互并不干扰？并行运行呢？固然重要的是，还须要，注意任务之间进行数据传递时，须要采用全局变量，除此以外还须要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽可能让任务尽快执行完成。

3

操做系统：

 

操做系统的自己是一个比较复杂的东西，任务的管理，执行本事并不须要咱们去了解。可是光是移植都是一件很是困难的是，虽然有人说过“你若是使用过系统，将不会在去使用先后台程序”。可是真正能使用操做系统的人并很少，不只是由于系统的使用自己很复杂，并且还须要购买许可证（ucos也不例外，若是商用的话）。

这里本人并不想过多的介绍操做系统自己，由于不是一两句话能过说明白的，下面列出UCOS下编写应该程序的模型。你们能够对比一下，这三种方式下的各自的优缺点。

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : main()
3. * Description : 主函数
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. int main(void)
8. {
9. OSInit(); // 初始化uCOS-II
10. OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart, // 任务指针
11. (void *) 0, // 参数
12. (OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
13. (INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任务优先级
14. OSStart(); // 启动多任务环境
15.  
16. return (0);
17. }

 

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskStart()
3. * Description : 任务建立，只建立任务，不完成其余工做
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(); // 这东西能够测量CPU使用量
12. #endif
13. OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任务1
14. (void *) 0, // 不带参数
15. (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
16. (INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 优先级
17. // Here the task of creating your
18.  
19. while (1)
20. {
21. OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
22. }
23. }

 

 

不难看出，时间片轮询法优点仍是比较大的，即由顺序执行法的优势，也有操做系统的优势。结构清晰，简单，很是容易理解。