單片機(jī)處理多個(gè)任務(wù)程序框架設(shè)計(jì)

前言

前不久，我有位做測試的朋友轉(zhuǎn)去做開發(fā)的工作，面試遇到了一個(gè)問題，他沒明白，打電話問了我。題目大概就是：

在單片機(jī)裸機(jī)開發(fā)時(shí)，單片機(jī)要處理多個(gè)任務(wù)，此時(shí)你的程序框架是怎樣的呢？

這其實(shí)是個(gè)經(jīng)典面試問題，我以前面試也被問過。

答案一：輪詢系統(tǒng)

代碼結(jié)構(gòu)如：

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intmain(void)

{
init_something();

while(1)
{
do_something1();
do_something2();
do_something3();
}
}

這種結(jié)構(gòu)大概是我們初學(xué)單片機(jī)的時(shí)候的代碼結(jié)構(gòu)。在沒有外部事件驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以較好使用。

只答出了這種情況，印象分估計(jì)會(huì)比較低，多半涼涼。

答案二：前后臺(tái)系統(tǒng)

代碼結(jié)構(gòu)如（該代碼來自 《RT-Thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐指南》 ）：

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intflag1=0;

intflag2=0;
intflag3=0;

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*無限循環(huán)*/
for(;;){
if(flag1){
/*處理事情1*/
DoSomething1();
}

if(flag2){
/*處理事情2*/
DoSomethingg2();
}

if(flag3){
/*處理事情3*/
DoSomethingg3();
}
}
}

voidISR1(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag1=1;
/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething1();
}

voidISR2(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag2=2;

/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething2();
}

voidISR3(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag3=1;
/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething3();
}

此處，中斷稱為前臺(tái)，main中的while循環(huán)稱為后臺(tái)。相比于循環(huán)系統(tǒng)，這種方式相對(duì)可以提高外部事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

可以回答出這種情況，印象分大概一半以上，會(huì)再細(xì)問。

答案三：升級(jí)版前后臺(tái)系統(tǒng)（軟件定時(shí)器法）

以前，學(xué)C語言時(shí)，常常聽到有人說：指針是C語言的靈魂，沒學(xué)會(huì)指針就是沒學(xué)會(huì)C語言。。

后來，學(xué)單片機(jī)時(shí)，又聽到有人說：中斷和定時(shí)器是單片機(jī)的靈魂，沒掌握中斷與定時(shí)器就沒學(xué)會(huì)單片機(jī)。。

大佬們都那么說了，那就拿定時(shí)器來搞點(diǎn)事情。定時(shí)器渾身都是寶，本篇筆記我們來介紹使用定時(shí)器（系統(tǒng)滴答定時(shí)器或者其它定時(shí)器）來做的裸機(jī)框架。軟件定時(shí)器法也有另一種說法：時(shí)間片輪詢法。

可以回答出這種情況，這場面試多半穩(wěn)了。

下面以STM32單片機(jī)為例看看這種方法的使用。

站在巨人的肩膀上

開源項(xiàng)目—— MultiTimer ，項(xiàng)目倉庫地址：

https://github.com/0x1abin/MultiTimer

1、MultiTimer 簡介

MultiTimer 是一個(gè)軟件定時(shí)器擴(kuò)展模塊，可無限擴(kuò)展你所需的定時(shí)器任務(wù)，取代傳統(tǒng)的標(biāo)志位判斷方式， 更優(yōu)雅更便捷地管理程序的時(shí)間觸發(fā)時(shí)序。

2、MultiTimer 的demo

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#include"multi_timer.h"

structTimertimer1;
structTimertimer2;

voidtimer1_callback()
{
printf("timer1timeout!
");
}

voidtimer2_callback()
{
printf("timer2timeout!
");
}

intmain()
{
timer_init(&timer1,timer1_callback,1000,1000);//1sloop
timer_start(&timer1);

timer_init(&timer2,timer2_callback,50,0);//50msdelay
timer_start(&timer2);

while(1){

timer_loop();
}
}

voidHAL_SYSTICK_Callback(void)
{
timer_ticks();//1msticks
}

3、MultiTimer 的移植、剖析

想要對(duì)MultiTimer 進(jìn)行深入學(xué)習(xí)可閱讀項(xiàng)目源碼及如下這篇文章：

第6期 | MultiTimer，一款可無限擴(kuò)展的軟件定時(shí)器

自己動(dòng)手，豐衣足食

1、代碼模板

準(zhǔn)備一個(gè)定時(shí)器，可以是系統(tǒng)滴答定時(shí)器，也可以是TIM定時(shí)器，使用這個(gè)定時(shí)器拓展出多個(gè)軟件定時(shí)器。

比如我們系統(tǒng)中有三個(gè)任務(wù)：LED翻轉(zhuǎn)、溫度采集、溫度顯示。此時(shí)我們可以使用一個(gè)硬件定時(shí)器拓展出3個(gè)軟件定時(shí)器，定義如下宏定義：

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#defineMAX_TIMER3//最大定時(shí)器個(gè)數(shù)

EXTvolatileunsignedlongg_Timer1[MAX_TIMER];
#defineLedTimerg_Timer1[0]//LED翻轉(zhuǎn)定時(shí)器
#defineGetTemperatureTimerg_Timer1[1]//溫度采集定時(shí)器
#defineSendToLcdTimerg_Timer1[2]//溫度顯示定時(shí)器

#defineTIMER1_SEC(1)//秒
#defineTIMER1_MIN(TIMER1_SEC*60)//分

在定時(shí)器初始化的時(shí)候也順便給三個(gè)軟件定時(shí)器進(jìn)行初始化操作：

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/********************************************************************************************************

**函數(shù):TIM1_Init,通用定時(shí)器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**參數(shù): arr：自動(dòng)重裝值 psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)
**說明:定時(shí)器溢出時(shí)間計(jì)算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft
**返回:void
********************************************************************************************************/
voidTIM1_Init(uint16_tarr,uint16_tpsc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

/*定時(shí)器TIM1初始化*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseStructure);
TIM_ClearFlag(TIM1,TIM_FLAG_Update);

/*中斷使能*/
TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update,ENABLE);

/*中斷優(yōu)先級(jí)NVIC設(shè)置*/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);

//全局定時(shí)器初始化
for(inti=0;i

	在定時(shí)器中斷中對(duì)這些軟件定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)值做遞減操作：

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	/********************************************************************************************************
**函數(shù):TIM1_IRQHandler,定時(shí)器1中斷服務(wù)程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**參數(shù):無
**返回:無
********************************************************************************************************/
voidTIM1_UP_IRQHandler(void)//TIM1中斷
{
uint8i;

if(TIM_GetITStatus(TIM1,TIM_IT_Update)!=RESET)//檢查TIM1更新中斷發(fā)生與否
{
//-------------------------------------------------------------------------------
//各種定時(shí)間器計(jì)時(shí)
for(i=0;i

	我們?cè)诟鱾€(gè)定時(shí)任務(wù)中給這些軟件定時(shí)器賦予定時(shí)值，這些定時(shí)值遞減到0則該任務(wù)會(huì)被觸發(fā)執(zhí)行，比如：

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	voidTask_Led(void)
{
//----------------------------------------------------------------
//等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer)return;
LedTimer=1*TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
//LED任務(wù)主體
LedToggle();
}

voidTask_GetTemperature(void)
{
//----------------------------------------------------------------
//等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer)return;
LedTimer=2*TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
//溫度采集任務(wù)主體
GetTemperature();
}

voidTask_SendToLcd(void)
{
//----------------------------------------------------------------
//等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer)return;
LedTimer=2*TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
//溫度顯示任務(wù)主體
LcdDisplay();
}


	如此一來，每過1、2、4秒則分別觸發(fā)LED翻轉(zhuǎn)任務(wù)、溫度采集任務(wù)、溫度顯示任務(wù)。

	這里配置的最小定時(shí)單位為1秒，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置（定時(shí)器初始化），定時(shí)器初始化可以放在系統(tǒng)統(tǒng)一初始化函數(shù)里：

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	/********************************************************************************************************
**函數(shù):SysInit,系統(tǒng)上電初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**參數(shù):
**說明:
**返回:
********************************************************************************************************/
voidSysInit(void)
{
CpuInit();//配置系統(tǒng)信息函數(shù)
SysTickInit();//系統(tǒng)滴答定時(shí)器初始化函數(shù)
UsartInit(115200);//串口初始化函數(shù)，波特率115200
TIM1_Init(2000-1,36000-1);//定時(shí)周期1s
LedInit();//Led初始化
TemperatureInit();//溫度傳感器初始化
LcdInit();//LCD初始化
}


	此時(shí)我們的main函數(shù)就可以設(shè)計(jì)為：

	intmain(void)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//上電初始化函數(shù)
SysInit();

//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//主程序
while(1)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//定時(shí)任務(wù)
Task_Led();
Task_GetTemperature();
Task_SendToLcd();
}
}


	主函數(shù)主要是進(jìn)行系統(tǒng)上電的一些初始化操作，接著是調(diào)用各定時(shí)任務(wù)函數(shù)。

	本demo使用定時(shí)器1來擴(kuò)展出3個(gè)軟件定時(shí)器，如果TIM資源不夠用，可以換用系統(tǒng)滴答定時(shí)器來做。如：

	

	其中，時(shí)間基數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

	2、實(shí)踐（代入法）

	套用以上模板，分享我的一個(gè)實(shí)例：

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	需要思考及注意的問題是給每個(gè)任務(wù)的定時(shí)值設(shè)置多大合適？這也是一些朋友有疑問的，這只能是自己對(duì)自己的任務(wù)做考慮，具體情況具體分析，給經(jīng)驗(yàn)值、調(diào)試調(diào)整。

	就如同常常有人問定義多大的數(shù)組合適？在使用RTOS時(shí)每個(gè)線程的線程棧大小設(shè)置多大合適、優(yōu)先級(jí)設(shè)置為多少合適？這些都是需要我們自己進(jìn)行思考的。

	有模板/輪子套用是好事，但有些問題不能單單依靠模板，否則有可能把自己給套進(jìn)去。

	以上是以STM32為例的，其它單片機(jī)也是可以用這樣子的思想的，包括51單片機(jī)。

	面對(duì)文首提到的面試問題，若是可以提到使用軟件定時(shí)器來處理，進(jìn)一步能清楚地表達(dá)出來，再進(jìn)一步能寫出一些偽代碼，那這場面試多半是穩(wěn)了。

	不僅僅是為了面試，本文的方法是很經(jīng)典的，小編曾經(jīng)接觸的產(chǎn)品項(xiàng)目中就有用到，很實(shí)用，值得學(xué)習(xí)掌握。方法掌握多了，實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候想用屠龍刀還是倚天劍根據(jù)實(shí)際情況選擇使用即可。

	以上就是本次的分享，如有錯(cuò)誤，歡迎指出，謝謝。