干貨：一文搞懂單片機(jī)應(yīng)用程序架構(gòu)

對(duì)于單片機(jī)程序來(lái)說(shuō)，大家都不陌生，但是真正使用架構(gòu)，考慮架構(gòu)的恐怕并不多，隨著程序開發(fā)的不斷增多，本人覺(jué)得架構(gòu)是非常必要的。前不就發(fā)帖與大家一起討論了一下怎樣架構(gòu)你的單片機(jī)程序，發(fā)現(xiàn)真正使用架構(gòu)的并不都，而且這類書籍基本沒(méi)有。

本人經(jīng)過(guò)摸索實(shí)驗(yàn)并總結(jié)，大致應(yīng)用程序的架構(gòu)有三種：

1. 簡(jiǎn)單的前后臺(tái)順序執(zhí)行程序，這類寫法是大多數(shù)人使用的方法，不需用思考程序的具體架構(gòu)，直接通過(guò)執(zhí)行順序編寫應(yīng)用程序即可。

2. 時(shí)間片輪詢法，此方法是介于順序執(zhí)行與操作系統(tǒng)之間的一種方法。

3. 操作系統(tǒng)，此法應(yīng)該是應(yīng)用程序編寫的最高境界。

下面就分別談?wù)勥@三種方法的利弊和適應(yīng)范圍等。

1、順序執(zhí)行法：

這種方法，這應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性，并行性要求不太高的情況下是不錯(cuò)的方法，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，思路比較清晰。但是當(dāng)應(yīng)用程序比較復(fù)雜的時(shí)候，如果沒(méi)有一個(gè)完整的流程圖，恐怕別人很難看懂程序的運(yùn)行狀態(tài)，而且隨著程序功能的增加，編寫應(yīng)用程序的工程師的大腦也開始混亂。即不利于升級(jí)維護(hù)，也不利于代碼優(yōu)化。本人寫個(gè)幾個(gè)比較復(fù)雜一點(diǎn)的應(yīng)用程序，剛開始就是使用此法，最終雖然能夠?qū)崿F(xiàn)功能，但是自己的思維一直處于混亂狀態(tài)。導(dǎo)致程序一直不能讓自己滿意。

這種方法大多數(shù)人都會(huì)采用，而且我們接受的教育也基本都是使用此法。對(duì)于我們這些基本沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序架構(gòu)的單片機(jī)工程師來(lái)說(shuō)，無(wú)疑很難在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)上有一個(gè)很大的提高，也導(dǎo)致了不同工程師編寫的應(yīng)用程序很難相互利于和學(xué)習(xí)。

本人建議，如果喜歡使用此法的網(wǎng)友，如果編寫比較復(fù)雜的應(yīng)用程序，一定要先理清頭腦，設(shè)計(jì)好完整的流程圖再編寫程序，否則后果很嚴(yán)重。當(dāng)然應(yīng)該程序本身很簡(jiǎn)單，此法還是一個(gè)非常必須的選擇。

下面就寫一個(gè)順序執(zhí)行的程序模型，方面和下面兩種方法對(duì)比：

/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數(shù)
* 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;
}
}
}

復(fù)制代碼

2、時(shí)間片輪詢法

時(shí)間片輪詢法，在很多書籍中有提到，而且有很多時(shí)候都是與操作系統(tǒng)一起出現(xiàn)，也就是說(shuō)很多時(shí)候是操作系統(tǒng)中使用了這一方法。不過(guò)我們這里要說(shuō)的這個(gè)時(shí)間片輪詢法并不是掛在操作系統(tǒng)下，而是在前后臺(tái)程序中使用此法。也是本貼要詳細(xì)說(shuō)明和介紹的方法。

對(duì)于時(shí)間片輪詢法，雖然有不少書籍都有介紹，但大多說(shuō)得并不系統(tǒng)，只是提提概念而已。下面本人將詳細(xì)介紹本人模式，并參考別人的代碼建立的一個(gè)時(shí)間片輪詢架構(gòu)程序的方法，我想將給初學(xué)者有一定的借鑒性。

記得在前不久本人發(fā)帖《1 個(gè)定時(shí)器多處復(fù)用的問(wèn)題》，由于時(shí)間的問(wèn)題，并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明怎樣實(shí)現(xiàn) 1 個(gè)定時(shí)器多處復(fù)用。在這里我們先介紹一下定時(shí)器的復(fù)用功能。

使用 1 個(gè)定時(shí)器，可以是任意的定時(shí)器，這里不做特殊說(shuō)明，下面假設(shè)有 3 個(gè)任務(wù)，那么我們應(yīng)該做如下工作：

1. 初始化定時(shí)器，這里假設(shè)定時(shí)器的定時(shí)中斷為 1ms(當(dāng)然你可以改成 10ms，這個(gè)和操作系統(tǒng)一樣，中斷過(guò)于頻繁效率就低，中斷太長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差)。

2. 定義一個(gè)數(shù)值：

#define TASK_NUM (3) // 這里定義的任務(wù)數(shù)為 3，表示有三個(gè)任務(wù)會(huì)使用此定時(shí)器定時(shí)。

uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 這里為三個(gè)任務(wù)定義三個(gè)變量來(lái)存放定時(shí)值

uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同樣對(duì)應(yīng)三個(gè)標(biāo)志位，為 0 表示時(shí)間沒(méi)到，為 1 表示定時(shí)時(shí)間到。

復(fù)制代碼

3. 在定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)中添加：

/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;

for (i=0; i {
if (TaskCount[i])
{
TaskCount[i]--;
if (TaskCount[i] == 0)
{
TaskMark[i] = 0x01;
}
}
}
}

復(fù)制代碼

代碼解釋：定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷中逐個(gè)判斷，如果定時(shí)值為 0 了，表示沒(méi)有使用此定時(shí)器或此定時(shí)器已經(jīng)完成定時(shí)，不著處理。否則定時(shí)器減一，知道為零時(shí)，相應(yīng)標(biāo)志位值 1，表示此任務(wù)的定時(shí)值到了。

4. 在我們的應(yīng)用程序中，在需要的應(yīng)用定時(shí)的地方添加如下代碼，下面就以任務(wù) 1 為例：

TaskCount[0] = 20; // 延時(shí) 20ms

TaskMark[0] = 0x00; // 啟動(dòng)此任務(wù)的定時(shí)器

復(fù)制代碼

到此我們只需要在任務(wù)中判斷 TaskMark[0] 是否為 0x01 即可。其他任務(wù)添加相同，至此一個(gè)定時(shí)器的復(fù)用問(wèn)題就實(shí)現(xiàn)了。用需要的朋友可以試試，效果不錯(cuò)哦。

通過(guò)上面對(duì) 1 個(gè)定時(shí)器的復(fù)用我們可以看出，在等待一個(gè)定時(shí)的到來(lái)的同時(shí)我們可以循環(huán)判斷標(biāo)志位，同時(shí)也可以去執(zhí)行其他函數(shù)。

循環(huán)判斷標(biāo)志位：

那么我們可以想想，如果循環(huán)判斷標(biāo)志位，是不是就和上面介紹的順序執(zhí)行程序是一樣的呢？一個(gè)大循環(huán)，只是這個(gè)延時(shí)比普通的 for 循環(huán)精確一些，可以實(shí)現(xiàn)精確延時(shí)。

執(zhí)行其他函數(shù)：

那么如果我們?cè)谝粋€(gè)函數(shù)延時(shí)的時(shí)候去執(zhí)行其他函數(shù)，充分利用 CPU 時(shí)間，是不是和操作系統(tǒng)有些類似了呢？但是操作系統(tǒng)的任務(wù)管理和切換是非常復(fù)雜的。下面我們就將利用此方法架構(gòu)一直新的應(yīng)用程序。

時(shí)間片輪詢法的架構(gòu)：

1. 設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

// 任務(wù)結(jié)構(gòu)
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序運(yùn)行標(biāo)記：0- 不運(yùn)行，1 運(yùn)行
uint8 Timer; // 計(jì)時(shí)器
uint8 ItvTime; // 任務(wù)運(yùn)行間隔時(shí)間
void (*TaskHook)(void); // 要運(yùn)行的任務(wù)函數(shù)
} TASK_COMPONENTS; // 任務(wù)定義

復(fù)制代碼

這個(gè)結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)非常重要，一個(gè)用 4 個(gè)參數(shù)，注釋說(shuō)的非常詳細(xì)，這里不在描述。

2. 任務(wù)運(yùn)行標(biāo)志出來(lái)，此函數(shù)就相當(dāng)于中斷服務(wù)函數(shù)，需要在定時(shí)器的中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用此函數(shù)，這里獨(dú)立出來(lái)，并于移植和理解。

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任務(wù)標(biāo)志處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;

for (i=0; i {
if (TaskComps[i].Timer) // 時(shí)間不為 0
{
TaskComps[i].Timer--; // 減去一個(gè)節(jié)拍
if (TaskComps[i].Timer == 0) // 時(shí)間減完了
{
TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢復(fù)計(jì)時(shí)器值，從新下一次
TaskComps[i].Run = 1; // 任務(wù)可以運(yùn)行
}
}
}
}

復(fù)制代碼

大家認(rèn)真對(duì)比一下次函數(shù)，和上面定時(shí)復(fù)用的函數(shù)是不是一樣的呢？

3. 任務(wù)處理

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任務(wù)處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;

for (i=0; i {
if (TaskComps[i].Run) // 時(shí)間不為 0
{
TaskComps[i].TaskHook(); // 運(yùn)行任務(wù)
TaskComps[i].Run = 0; // 標(biāo)志清 0
}
}
}

復(fù)制代碼

此函數(shù)就是判斷什么時(shí)候該執(zhí)行那一個(gè)任務(wù)了，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的管理操作，應(yīng)用者只需要在 main()函數(shù)中調(diào)用此函數(shù)就可以了，并不需要去分別調(diào)用和處理任務(wù)函數(shù)。

到此，一個(gè)時(shí)間片輪詢應(yīng)用程序的架構(gòu)就建好了，大家看看是不是非常簡(jiǎn)單呢？此架構(gòu)只需要兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)結(jié)構(gòu)體，為了應(yīng)用方面下面將再建立一個(gè)枚舉型變量。

下面我就就說(shuō)說(shuō)怎樣應(yīng)用吧，假設(shè)我們有三個(gè)任務(wù)：時(shí)鐘顯示，按鍵掃描，和工作狀態(tài)顯示。

1. 定義一個(gè)上面定義的那種結(jié)構(gòu)體變量

/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 顯示時(shí)鐘
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按鍵掃描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 顯示工作狀態(tài)

// 這里添加你的任務(wù)。。。。

};

復(fù)制代碼

在定義變量時(shí)，我們已經(jīng)初始化了值，這些值的初始化，非常重要，跟具體的執(zhí)行時(shí)間優(yōu)先級(jí)等都有關(guān)系，這個(gè)需要自己掌握。

①大概意思是，我們有三個(gè)任務(wù)，沒(méi) 1s 執(zhí)行以下時(shí)鐘顯示，因?yàn)槲覀兊臅r(shí)鐘最小單位是 1s，所以在秒變化后才顯示一次就夠了。

②由于按鍵在按下時(shí)會(huì)參數(shù)抖動(dòng)，而我們知道一般按鍵的抖動(dòng)大概是 20ms，那么我們?cè)陧樞驁?zhí)行的函數(shù)中一般是延伸 20ms，而這里我們每 20ms 掃描一次，是非常不錯(cuò)的出來(lái)，即達(dá)到了消抖的目的，也不會(huì)漏掉按鍵輸入。

③為了能夠顯示按鍵后的其他提示和工作界面，我們這里設(shè)計(jì)每 30ms 顯示一次，如果你覺(jué)得反應(yīng)慢了，你可以讓這些值小一點(diǎn)。后面的名稱是對(duì)應(yīng)的函數(shù)名，你必須在應(yīng)用程序中編寫這函數(shù)名稱和這三個(gè)一樣的任務(wù)。

2. 任務(wù)列表

// 任務(wù)清單
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 顯示時(shí)鐘
TAST_KEY_SAN, // 按鍵掃描
TASK_DISP_WS, // 工作狀態(tài)顯示
// 這里添加你的任務(wù)。。。。
TASKS_MAX // 總的可供分配的定時(shí)任務(wù)數(shù)目
} TASK_LIST;

復(fù)制代碼

好好看看，我們這里定義這個(gè)任務(wù)清單的目的其實(shí)就是參數(shù) TASKS_MAX 的值，其他值是沒(méi)有具體的意義的，只是為了清晰的表面任務(wù)的關(guān)系而已。

3. 編寫任務(wù)函數(shù)

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 顯示任務(wù)

* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{

}

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 掃描任務(wù)
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{

}

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作狀態(tài)顯示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{

}

// 這里添加其他任務(wù)。

復(fù)制代碼

現(xiàn)在你就可以根據(jù)自己的需要編寫任務(wù)了。

4. 主函數(shù)

/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數(shù)
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化

while (1)
{
TaskProcess(); // 任務(wù)處理
}
}

復(fù)制代碼

到此我們的時(shí)間片輪詢這個(gè)應(yīng)用程序的架構(gòu)就完成了，你只需要在我們提示的地方添加你自己的任務(wù)函數(shù)就可以了。是不是很簡(jiǎn)單啊，有沒(méi)有點(diǎn)操作系統(tǒng)的感覺(jué)在里面？

不防試試把，看看任務(wù)之間是不是相互并不干擾？并行運(yùn)行呢？當(dāng)然重要的是，還需要，注意任務(wù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，需要采用全局變量，除此之外還需要注意劃分任務(wù)以及任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，在編寫任務(wù)時(shí)，盡量讓任務(wù)盡快執(zhí)行完成。

3、操作系統(tǒng)：

操作系統(tǒng)的本身是一個(gè)比較復(fù)雜的東西，任務(wù)的管理，執(zhí)行本事并不需要我們?nèi)チ私?。但是光是移植都是一件非常困難的是，雖然有人說(shuō)過(guò)“你如果使用過(guò)系統(tǒng)，將不會(huì)在去使用前后臺(tái)程序”。但是真正能使用操作系統(tǒng)的人并不多，不僅是因?yàn)橄到y(tǒng)的使用本身很復(fù)雜，而且還需要購(gòu)買許可證（ucos 也不例外，如果商用的話）。

這里本人并不想過(guò)多的介紹操作系統(tǒng)本身，因?yàn)椴皇且粌删湓捘苓^(guò)說(shuō)明白的，下面列出 UCOS 下編寫應(yīng)該程序的模型。大家可以對(duì)比一下，這三種方式下的各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數(shù)
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
OSInit(); // 初始化 uCOS-II

OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart, // 任務(wù)指針
(void *) 0, // 參數(shù)
(OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任務(wù)優(yōu)先級(jí)

OSStart(); // 啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境

return (0);
}

復(fù)制代碼

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskStart()
* Description : 任務(wù)創(chuàng)建，只創(chuàng)建任務(wù)，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(cè)量 CPU 使用量
#endif

OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任務(wù) 1
(void *) 0, // 不帶參數(shù)
(OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 優(yōu)先級(jí)

// Here the task of creating your

while (1)
{
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
}
}

復(fù)制代碼

不難看出，時(shí)間片輪詢法優(yōu)勢(shì)還是比較大的，即由順序執(zhí)行法的優(yōu)點(diǎn)，也有操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單，非常容易理解。

審核編輯 黃昊宇