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標(biāo)題: 牛人總結(jié)的單片機(jī)應(yīng)用程序架構(gòu) [打印本頁]

作者: s15382261356 時(shí)間: 2019-1-21 10:53
標(biāo)題: 牛人總結(jié)的單片機(jī)應(yīng)用程序架構(gòu)
工作中經(jīng)過摸索實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出單片機(jī)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。
一、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)于我們這些基本沒有學(xué)習(xí)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序架構(gòu)的單片機(jī)工程師來說，無疑很難在應(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，方便和下面兩種方法對(duì)比：

代碼
/**************************************************************************************
* 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;
      }
}
}

二、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)，也就是說很多時(shí)候是操作系統(tǒng)中使用了這一方法。不過我們這里要說的這個(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，但大多說得并不系統(tǒng)，只是提提概念而已。下面本人將詳細(xì)介紹這種模式，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。

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：
代碼
#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)間沒到，為1表示定時(shí)時(shí)間到。

3. 在定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)中添加：
代碼
/**************************************************************************************
* 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<TASKS_NUM; i++)
{
      if (TaskCount[ i]) [ i]
      {
            TaskCount[ i]--; [ i]
            if (TaskCount[ i] == 0) [ i]
            {
                  TaskMark[ i] = 0x01; [ i]
            }
      }
}
}
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：

代碼
TaskCount[0] = 20;    // 延時(shí)20ms
TaskMark[0]  = 0x00;    // 啟動(dòng)此任務(wù)的定時(shí)器
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：
代碼
// 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
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)，注釋說的非常詳細(xì)，這里不在描述。

2. 任務(wù)運(yùn)行標(biāo)志出來，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，并于移植和理解。
代碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任務(wù)標(biāo)志處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)       // 逐個(gè)任務(wù)時(shí)間處理
{
      if (TaskComps[ i].Timer)       // 時(shí)間不為0[ i]
      {
         TaskComps[ i].Timer--;       // 減去一個(gè)節(jié)拍[ i]
         if (TaskComps[ i].Timer == 0)    // 時(shí)間減完了[ i]
         {
               TaskComps[ i].Timer = TaskComps[ i].ItvTime;    // 恢復(fù)計(jì)時(shí)器值，從新下一次[ i][ i]
               TaskComps[ i].Run = 1;          // 任務(wù)可以運(yùn)行[ i]
         }
      }
}
}
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：
代碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任務(wù)處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)          // 逐個(gè)任務(wù)時(shí)間處理
{
      if (TaskComps[ i].Run)          // 時(shí)間不為0[ i]
      {
         TaskComps[ i].TaskHook();       // 運(yùn)行任務(wù)[ i]
         TaskComps[ i].Run = 0;       // 標(biāo)志清0[ i]
      }
}
}

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。

下面就說說怎樣應(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：

代碼
/**************************************************************************************
* 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)。。。。
};
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，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：
代碼
// 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;
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)：
代碼
/**************************************************************************************
* 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)。。。。。。。。。

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)：
代碼
/**************************************************************************************
* 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
}
}
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，有沒有點(diǎn)操作系統(tǒng)的感覺在里面？

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。。。。。。。。

三、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)チ私狻５枪馐且浦捕际且患浅＠щy的是，雖然有人說過“你如果使用過系統(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，而且還需要購買許可證（ucos也不例外，如果商用的話）。

這里本人并不想過多的介紹操作系統(tǒng)本身，因?yàn)椴皇且粌删湓捘苓^說明白的，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)。

代碼
/**************************************************************************************
* 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);
}

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);
}
}
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。

作者: 51hei團(tuán)團(tuán) 時(shí)間: 2019-1-25 03:10
說的太棒了

作者: 51hei團(tuán)團(tuán) 時(shí)間: 2019-1-25 03:11
好資料，51黑有你更精彩!!!

作者: Angle145 時(shí)間: 2019-1-25 04:26
時(shí)間輪詢確實(shí)很不錯(cuò)了，但是加入上下文現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的更好操控

作者: pps1101 時(shí)間: 2019-1-25 08:46
make 以后再看

作者: 周超然 時(shí)間: 2019-1-25 09:11
能把代碼直接建立3個(gè)工程么？！讓我們?cè)趹幸稽c(diǎn)呢，哈哈，謝謝樓主，不錯(cuò)。
操作系統(tǒng)方便，但是片子資源消耗也多，單片機(jī)就是控制成本的，很多控制的東西也不是很復(fù)雜。

作者: s15382261356 時(shí)間: 2019-2-1 14:04

Angle145 發(fā)表于 2019-1-25 04:26
時(shí)間輪詢確實(shí)很不錯(cuò)了，但是加入上下文現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的更好操控

怎么加？大兄弟！

作者: s15382261356 時(shí)間: 2019-2-1 14:06

周超然發(fā)表于 2019-1-25 09:11
能把代碼直接建立3個(gè)工程么？！讓我們?cè)趹幸稽c(diǎn)呢，哈哈，謝謝樓主，不錯(cuò)。
操作系統(tǒng)方便，但是片子資源消 ...

http://m.raoushi.com/bbs/dpj-37481-1.html

看下這個(gè)

作者: 小分子 時(shí)間: 2020-4-17 22:49
這個(gè)太漂亮了。真的很美。可以說是一個(gè)不錯(cuò)的架構(gòu)。

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