嵌入式底層開發的軟件框架簡述

    在底層代碼編寫中，初始的框架設計總會面臨選擇，針對實際的硬件使用環境，大家對於使用的軟件框架有很多選擇，今天我簡單描述一些比較常用的架構，讓大家能夠理解並選擇合適的架構。

 

   1. 簡單的順序執行程序：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，直接按照執行順序編寫應用程序即可。

    2.前後臺執行程序：在順序執行的情況上增添中斷前臺處理機制，配置順序執行的後臺大循環程序,組合成可以實時響應的程序。

    3. 時間片輪循法：在前後臺的執行架構上，通過計數器進一步規劃程序，定時執行特定的片段。

    4. 實時操作系統：實時操作系統又叫RTOS，實時性，RTOS的內核負責管理所有的任務，內核決定了運行哪個任務，何時停止當前任務切換到其  他任務，這個是內核的多任務管理能力。多任務 管理給人的感覺就好像芯片有多個CPU，多任務管理實現了CPU資源的最大化利用，多任務管理有助於實現程序的模塊化開發，能夠實現複雜的實時應用。

      除了實時性，還有可剝奪內核，顧名思義就是可以剝奪其他任務的CPU使用權，它總是運行就緒任務中的優先級最高的那個任務。

                                                                                              1.簡單的順序執行程序

    這種應用程序比較簡單，一般作爲初階簡單使用，實時性以及要求不太高的情況下，可以使用。程序的設計比較簡單，思路比較清晰。但是主循環的邏輯比較複雜的時候，如果沒有完整的流程圖指導，其他人很難看懂程序運行邏輯。

 

下面寫一個順序執行的程序模型

int main(void) 
{      
    uint8 TaskValue;     
    InitSys();                  // 初始化    
    while (1)     
    {         

      TaskValue= GetTaskValue();         
      switch (TaskValue)        
      {             
        case x: 
          TaskDispStatus(); 
        break;             
        ...             
        default:
        break;         
      }     
   } 
}

                                                                                        2.前後臺執行程序

                                       

    這種程序特點是，後臺大循環中一直執行默認的程序，中斷服務程序（ISR）產生相應中斷標記，主程序運行與中斷標記相關聯的任務程序。一般實現有如下思路：

    通過設置標誌變量，然後在前臺響應中斷的時候進行對標誌變量的置位或者復位，實現事件的信號獲取，再在後臺主循環進行中斷所對應事物或者數據的處理，將程序流程轉移到主程序。

前後臺執行的程序

void IRQHandler(void)
{
  if(GetITStatus == 1)
  { 
    SysFlag = 1;
    GetITStatus = 0;
  }
}
int main(void) 
{      
    uint8 TaskValue;     
    InitSys();                  // 初始化    
    while (1)     
    {

      TaskValue= GetTaskValue();         
      switch (TaskValue)        
      {             
        case x: 
          if(SysFlag == 1)
          {
            TaskDispStatus(); 
            SysFlag == 0;
           }
        break;             
        ...             
        default:
        break;         
      }     
   } 
}

                                                                                 3.時間片輪循架構

    時間片輪循法，大家看到它的時候，一般會將它與操作系統進行比較。不是說操作系統包含這種方法，而是在前後臺程序中配合時間管理形成時間片輪循架構。

    這種架構已經最大限度接近RTOS，時間管理，中斷管理，任務管理，已經都有了，只不過RTOS會對內核進行更深入的修改，有針對delay延時的線程切換，搶佔式任務切換這些更爲複雜一些的功能等。

                                                        

時間片輪循程序

時間片管理主要是通過對定時多處複用，在定時器計數，定時進行標誌位的變化，繼而主程序對標誌真假的判斷，實現不同時間不同任務狀態執行。

因爲此架構代碼比較好，我適當進行詳細描述。

step

    1：初始化相應的定時器：注意設置定時器的間隔頻率，可以按照芯片的性能設置。例如，設置定時中斷爲1ms，也可以設置爲10ms，輪循架構中的定時器部分與操作系統的定時器部分具有一樣的功能，中斷過於頻繁，影響主程的序執行效率；中斷間隔過長，實時響應效果差。

    2：針對定時器運行的任務設置一個函數結構體標誌，用來在定時程序進行時間計數以及標誌操作。

#define TaskTAB_NUM  6 //任務數量__packed typedef struct{  u8 flag;  //定時標誌  u32 numcount;//按照定時中斷進行計數  u32 target;  //設置的定時目標數值  int(*fun)(void);//設置定時執行的目標任務函數}TaskTimTypeDef

step

    3：建立一個任務表，通過結構體表的設置，確定任務執行的時間表。

在定義變量時，我們已經初始化了值，這些值的初始化，非常重要，跟具體的執行時間優先級等都有關係，這個需要自己掌握。

/*MdmSendTimTab任務函數默認週期,單位5ms,TIM7*/static TaskTimTypeDef TaskTimTab[TaskTAB_NUM] ={                                                 {1, 0, 30000,      *Task00},          //Task00 3000數值是設置的定時目標值，如果覺得反應過慢，可以將此值設置小  {1, 0, 3000,       *Task01},          //Task01  {1, 0, 300,        *Task02},          //Task02  {1, 0, 30,         *Task03},          //Task03  {1, 0, 3,          *Task04},          //Task04  {1, 0, 0xFFFFFFFF, *Task05},          //Task05    //可以按照TaskTAB_NUM數量添加任務};int Task00(void)//按照結構體的函數模板（int(*fun)(void);）寫任務函數{...}//假設執行按鍵操作int Task01(void){...}//假設執行USART發送任務int Task02(void){...}//假設執行CAN通訊int Task03(void){...}//假設執行繼電器控制int Task04(void){...}//假設執行網絡解析int Task06(void){...}//假設執行空

step

    4：定時中斷服務函數，按照我們需要的時間以及標誌操作進行計時。

 //定時中斷服務函數 void TimerInterrupt(void) {    for(char i=0; i<TaskTAB_NUM; i++)    {      if(TaskTimTab[i].flag == 1)      {            (TaskTimTab[i].numcount< TaskTimTab[i].target)//比較目前定時計數與目標時間        ?        (TaskTimTab[i].numcount++):(TaskTimTab[i].flag = 0);      }    }  }

 

step

    5：主函數進行任務函數執行。

int main(void) {        InitSys();                  // 初始化       while (1)       {                 for(char i=0; i<TaskTAB_NUM; i++)//// 任務處理            {        if(TaskTimTab[i].flag == 0)        {          if(TaskTimTab.flag == 0)          {            TaskTimTab[i].flag  = 1;            TaskTimTab[i].numcount= 0;            TaskTimTab[i].fun();          }        }  } } 

 

                                                                                                 4.操作系統RTOS

    嵌入式操作系統是更加優化的執行框架，針對多任務，功能複雜，擴展性要求強項目的代碼有非常好的使用。RTOS是針對不同處理器優化設計的高效率實時多任務內核，RTOS可以面對幾十個系列的嵌入式處理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供類同的API接口，這是RTOS基於設備獨立的應用程序開發基礎。因此，基於RTOS的C語言程序具有極大的可移植性。目前針對微嵌入式或者單片機的操作系統有VxWorks、UCOS、Free RTOS、國產的RTT，這些操作系統大同小異，基本的功能都類似：任務管理、任務間同步和通信、內存管理、實時時鐘服務、中斷管理服務。

                                                 

（圖片來源博客）

    RTOS在時間輪循的架構上繼續增加了任務掛起以及恢復，阻塞切換線程等，屬於功能累加，進一步的優化。由於本次不是對RTOS的講解，本人學習應用有UCOS、RTT、Free RTOS幾個操作系統，因爲篇幅有限，時間有限，我抽時間再進行詳細的RTOS系統架構學習等的介紹。

 

 

    目前RTOS系統有很多，很多項目都傾向於使用RTOS，但是通過幾種架構的分析明白不同的項目需要不同的架構，並不是所有項目都需要，也都適合使用RTOS，例如項目中各個任務耦合性過大，如果用RTOS需要很多的任務同步，甚至都無法進行線程的規劃。這樣就完全失去RTOS意義，此時用某些裸機的架構反而更合適。

 

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                                    文章：良知猶存            排版：良知猶存          校稿：迴夢遊先