牛人總結的單片機應用程序架構
2018年03月08日 17:51:58 JawSoW 閱讀數 4451
工作中經過摸索實驗，總結出單片機大致應用程序的架構有三種：
1. 簡單的前後臺順序執行程序，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，直接通過執行順序編寫應用程序即可。
2. 時間片輪詢法，此方法是介於順序執行與操作系統之間的一種方法。
3. 操作系統，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。
一、順序執行法
這種方法，這應用程序比較簡單，實時性，並行性要求不太高的情況下是不錯的方法，程序設計簡單，思路比較清晰。但是當應用程序比較複雜的時候，如果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，而且隨着程序功能的增加，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，最終雖然能夠實現功能，但是自己的思維一直處於混亂狀態。導致程序一直不能讓自己滿意。
這種方法大多數人都會採用，而且我們接受的教育也基本都是使用此法。對於我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說，無疑很難在應用程序的設計上有一個很大的提高，也導致了不同工程師編寫的應用程序很難相互利於和學習。
本人建議，如果喜歡使用此法的網友，如果編寫比較複雜的應用程序，一定要先理清頭腦，設計好完整的流程圖再編寫程序，否則後果很嚴重。當然應該程序本身很簡單，此法還是一個非常必須的選擇。
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：
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
uint8 keyValue;
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskDisplayClock();
keyValue = TaskKeySan();
switch (keyValue)
{
case x: TaskDispStatus(); break;
...
default: break;
}
}
}
二、時間片輪詢法
時間片輪詢法，在很多書籍中有提到，而且有很多時候都是與操作系統一起出現，也就是說很多時候是操作系統中使用了這一方法。不過我們這裏要說的這個時間片輪詢法並不是掛在操作系統下，而是在前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，雖然有不少書籍都有介紹，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，並參考別人的代碼建立的一個時間片輪詢架構程序的方法，我想將給初學者有一定的借鑑性。
在這裏我們先介紹一下定時器的複用功能。
使用1個定時器，可以是任意的定時器，這裏不做特殊說明，下面假設有3個任務，那麼我們應該做如下工作：
1. 初始化定時器，這裏假設定時器的定時中斷爲1ms(當然你可以改成10ms，這個和操作系統一樣，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：
代 碼
#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。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 這裏爲三個任務定義三個變量來存放定時值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同樣對應三個標誌位，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：
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定時中斷服務函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
{
if (TaskCount[i])
{
TaskCount[i]--;
if (TaskCount[i] == 0)
{
TaskMark[i] = 0x01;
}
}
}
}
代碼解釋：定時中斷服務函數，在中斷中逐個判斷，如果定時值爲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。否則定時器減一，知道爲零時，相應標誌位值1，表示此任務的定時值到了。
4. 在我們的應用程序中，在需要的應用定時的地方添加如下代碼，下面就以任務1爲例：
代 碼
TaskCount[0] = 20; // 延時20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 啓動此任務的定時器
到此我們只需要在任務中判斷TaskMark[0] 是否爲0x01即可。其他任務添加相同，至此一個定時器的複用問題就實現了。用需要的朋友可以試試，效果不錯哦。。。。。。。。。。。
通過上面對1個定時器的複用我們可以看出，在等待一個定時的到來的同時我們可以循環判斷標誌位，同時也可以去執行其他函數。
循環判斷標誌位：
那麼我們可以想想，如果循環判斷標誌位，是不是就和上面介紹的順序執行程序是一樣的呢？一個大循環，只是這個延時比普通的for循環精確一些，可以實現精確延時。
執行其他函數：
那麼如果我們在一個函數延時的時候去執行其他函數，充分利用CPU時間，是不是和操作系統有些類似了呢？但是操作系統的任務管理和切換是非常複雜的。下面我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：
代 碼
// 任務結構
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序運行標記：0-不運行，1運行
uint8 Timer; // 計時器
uint8 ItvTime; // 任務運行間隔時間
void (*TaskHook)(void); // 要運行的任務函數
} TASK_COMPONENTS; // 任務定義
這個結構體的設計非常重要，一個用4個參數，註釋說的非常詳細，這裏不在描述。
2. 任務運行標誌出來，此函數就相當於中斷服務函數，需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。
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任務標誌處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐個任務時間處理
{
if (TaskComps[i].Timer) // 時間不爲0
{
TaskComps[i].Timer--; // 減去一個節拍
if (TaskComps[i].Timer == 0) // 時間減完了
{
TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢復計時器值，從新下一次
TaskComps[i].Run = 1; // 任務可以運行
}
}
}
}
大家認真對比一下次函數，和上面定時複用的函數是不是一樣的呢？
3. 任務處理：
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任務處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐個任務時間處理
{
if (TaskComps[i].Run) // 時間不爲0
{
TaskComps[i].TaskHook(); // 運行任務
TaskComps[i].Run = 0; // 標誌清0
}
}
}
此函數就是判斷什麼時候該執行那一個任務了，實現任務的管理操作，應用者只需要在main()函數中調用此函數就可以了，並不需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，大家看看是不是非常簡單呢？此架構只需要兩個函數，一個結構體，爲了應用方面下面將再建立一個枚舉型變量。
下面就說說怎樣應用吧，假設我們有三個任務：時鐘顯示，按鍵掃描，和工作狀態顯示。
1. 定義一個上面定義的那種結構體變量：
代 碼
/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 顯示時鐘
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按鍵掃描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 顯示工作狀態
// 這裏添加你的任務。。。。
};
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。
①大概意思是，我們有三個任務，沒1s執行以下時鐘顯示，因爲我們的時鐘最小單位是1s，所以在秒變化後才顯示一次就夠了。
②由於按鍵在按下時會參數抖動，而我們知道一般按鍵的抖動大概是20ms，那麼我們在順序執行的函數中一般是延伸20ms，而這裏我們每20ms掃描一次，是非常不錯的出來，即達到了消抖的目的，也不會漏掉按鍵輸入。
③爲了能夠顯示按鍵後的其他提示和工作界面，我們這裏設計每30ms顯示一次，如果你覺得反應慢了，你可以讓這些值小一點。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一樣的任務。
2. 任務列表：
代 碼
// 任務清單
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 顯示時鐘
TAST_KEY_SAN, // 按鍵掃描
TASK_DISP_WS, // 工作狀態顯示
// 這裏添加你的任務。。。。
TASKS_MAX // 總的可供分配的定時任務數目
} TASK_LIST;
好好看看，我們這裏定義這個任務清單的目的其實就是參數TASKS_MAX的值，其他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：
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 顯示任務
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 掃描任務
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作狀態顯示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 這裏添加其他任務。。。。。。。。。
現在你就可以根據自己的需要編寫任務了。
4. 主函數：
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任務處理
}
}
到此我們的時間片輪詢這個應用程序的架構就完成了，你只需要在我們提示的地方添加你自己的任務函數就可以了。是不是很簡單啊，有沒有點操作系統的感覺在裏面？
不防試試把，看看任務之間是不是相互並不干擾？並行運行呢？當然重要的是，還需要，注意任務之間進行數據傳遞時，需要採用全局變量，除此之外還需要注意劃分任務以及任務的執行時間，在編寫任務時，儘量讓任務儘快執行完成。。。。。。。。
三、操作系統
操作系統的本身是一個比較複雜的東西，任務的管理，執行本事並不需要我們去了解。但是光是移植都是一件非常困難的是，雖然有人說過“你如果使用過系統，將不會在去使用前後臺程序”。但是真正能使用操作系統的人並不多，不僅是因爲系統的使用本身很複雜，而且還需要購買許可證（ucos也不例外，如果商用的話）。
這裏本人並不想過多的介紹操作系統本身，因爲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。大家可以對比一下，這三種方式下的各自的優缺點。
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
OSInit(); // 初始化uCOS-II
OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart, // 任務指針
(void *) 0, // 參數
(OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任務優先級
OSStart(); // 啓動多任務環境
return (0);
}
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskStart()
* Description : 任務創建，只創建任務，不完成其他工作
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskStart(void* p_arg)
{
OS_CPU_SysTickInit(); // Initialize the SysTick.
#if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
OSStatInit(); // 這東西可以測量CPU使用量
#endif
OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任務1
(void *) 0, // 不帶參數
(OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 優先級
// Here the task of creating your
while (1)
{
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
}
}
不難看出，時間片輪詢法優勢還是比較大的，即由順序執行法的優點，也有操作系統的優點。結構清晰，簡單，非常容易理解。