這2個(gè)單片機(jī)編程的思想,請(qǐng)你掌握。
1. 分層思想
分層的思想,并不是什么神秘的東西,事實(shí)上很多做項(xiàng)目的工程師本身自己也會(huì)在用??戳瞬簧偬佣及l(fā)現(xiàn)沒(méi)有提及這個(gè)東西,然而分層結(jié)構(gòu)確是很有用的東西,參透后會(huì)有一種恍然大悟的感覺(jué)。
如果說(shuō)我不懂LCD怎么驅(qū)動(dòng),那好辦,看一下datasheet,參考一下阿別人的程序,很快就可以做出來(lái)。但是如果不懂程序設(shè)計(jì)的思想的話(huà),會(huì)給你做項(xiàng)目的過(guò)程中帶來(lái)很多很多的困惑。
參考了市面上各種各樣的嵌入式書(shū)籍,MCS-51,AVR ,ARM 等都有看過(guò),但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有哪本是介紹設(shè)計(jì)思想的,就算有也是鳳毛麟角。寫(xiě)程序不難,但是程序怎么樣才能寫(xiě)的好,寫(xiě)的快,那是需要點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)積累的。結(jié)構(gòu)化模塊化的程序設(shè)計(jì)的思想,使最基本的要求。
然而這么將這個(gè)抽象的概念運(yùn)用到工程實(shí)踐當(dāng)中恩?那需要在做項(xiàng)目的過(guò)程中經(jīng)歷磨難,將一些東西總結(jié)出來(lái),抽象升華為理論,對(duì)經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的傳播都大有裨益。所以在下出來(lái)獻(xiàn)丑一下,總結(jié)一些東西。
就我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)而談,有兩個(gè)設(shè)計(jì)思想是非常重要的。
一個(gè)就是“時(shí)間片輪的設(shè)計(jì)思想”,這個(gè)對(duì)實(shí)際中解決多任務(wù)問(wèn)題非常有用,通常可以用這個(gè)東西來(lái)判斷一個(gè)人是單片機(jī)學(xué)習(xí)者,還是一個(gè)單片機(jī)工程師。這個(gè)必須掌握。(下文將介紹)。
第二個(gè)就是“分層屏蔽的設(shè)計(jì)思想”即分層思想。下面用掃描鍵盤(pán)程序例子作為引子,引出今天說(shuō)的東西。
問(wèn)題的提出
單片機(jī)學(xué)習(xí)板一般為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),將按鍵分配的很好,例如整個(gè) 4*4 的鍵盤(pán)矩陣分配到 P1 口上面,8條控制線(xiàn),剛好。這樣的話(huà)程序也非常好寫(xiě)。只需要簡(jiǎn)單的:KEY_DAT= P1;
端口的數(shù)據(jù)就讀進(jìn)來(lái)了。
誠(chéng)然,現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有這么好的事情。在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用當(dāng)中,單片機(jī)引腳的復(fù)用相當(dāng)厲害,這跟那些所謂的單片機(jī)學(xué)習(xí)板就有很大的差別了。
另外一個(gè)原因,一般設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),是“軟件配合硬件”的設(shè)計(jì)流程,簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是,先確定好硬件原理圖,硬件布線(xiàn),最后才是軟件的開(kāi)發(fā),因?yàn)橛布薷钠饋?lái)比較麻煩,相對(duì)來(lái)說(shuō)軟件修改的時(shí)候比較好改。這個(gè)就是中國(guó)傳統(tǒng)的陰陽(yáng)平衡哲學(xué)原理。硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)本來(lái)就是魚(yú)和熊掌的關(guān)系,兩者不可兼得。方便了硬件設(shè)計(jì),很可能給寫(xiě)軟件帶來(lái)很大的麻煩。
反過(guò)來(lái)說(shuō),方便了軟件設(shè)計(jì),硬件設(shè)計(jì)也會(huì)相當(dāng)?shù)穆闊?。如果硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)同時(shí)方便了,那只有兩種可能,一是這個(gè)設(shè)計(jì)方案非常簡(jiǎn)單,二是設(shè)計(jì)師已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常高的境界。我們不考慮那么多情況,單純從常用的實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看問(wèn)題。
硬件為了布線(xiàn)的方便,很多時(shí)候會(huì)可能將IO口分配到不同的端口上面,例如上面說(shuō)的4*4鍵盤(pán),8根線(xiàn)分別分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么,開(kāi)發(fā)板的那些掃描鍵盤(pán)程序可以去見(jiàn)鬼了。怎么掃按鍵?我想起了我剛開(kāi)始學(xué)習(xí)的時(shí)候,分成3段非常相似的程序,一個(gè)一個(gè)按鍵的掃描的經(jīng)歷......
或許有人不甘心,“那些東西我花了很長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)的,也用的好好的,怎么能說(shuō)一句不用就不用?”雖然有點(diǎn)殘忍,但是我還是想說(shuō)“兄弟,接受現(xiàn)實(shí)吧,現(xiàn)實(shí)是殘酷的......”
不過(guò),人區(qū)別于低等動(dòng)物的差別,是人會(huì)創(chuàng)造,在碰到困難的時(shí)候會(huì)想辦法解決,于是我們開(kāi)始了沉思......
最后我們引入初中數(shù)學(xué)學(xué)的“映射”的概念來(lái)解決問(wèn)題?;舅枷刖褪牵瑢⒉煌丝诘陌存I映射到相同端口上面。
這樣按鍵掃描程序就分成3個(gè)層次了:
1)最底層的是硬件層,完成端口掃描,20ms延時(shí)消抖,將端口的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)KEY_DAT寄存器上面,KEY_DAT作為對(duì)上層驅(qū)動(dòng)層的一個(gè)接口。
2)中間的一層是驅(qū)動(dòng)層,驅(qū)動(dòng)層只對(duì) KEY_DAT 寄存器的數(shù)值進(jìn)行操作。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō),我們無(wú)論底層的硬件是怎么接線(xiàn)的,在驅(qū)動(dòng)層都不需要關(guān)心,只需要關(guān)心 KEY_DAT 這個(gè)寄存器的數(shù)值是什么就可以了。這樣出來(lái)的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”,所以驅(qū)動(dòng)層寫(xiě)的程序就可以通用了。
驅(qū)動(dòng)層的另外一個(gè)功能是為了上層提供消息接口。我們用了類(lèi)似window程序的消息的概念。這里可以提供一些按鍵消息,例如:按下消息,松開(kāi)消息,長(zhǎng)按鍵消息,長(zhǎng)按鍵的時(shí)候的步進(jìn)消息,等等。
3)應(yīng)用層。這里就是根據(jù)項(xiàng)目的不同分別寫(xiě)按鍵功能程序,屬于最上層的程序。它使用的是驅(qū)動(dòng)層提供的消息接口。在應(yīng)用層寫(xiě)程序的思想就是,我不管下層是怎么工作的,我只關(guān)心按鍵消息。有按鍵消息來(lái)的時(shí)候我就執(zhí)行功能,沒(méi)有消息來(lái)的時(shí)候,我就什么也不做。
下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的常用的例子,說(shuō)明我們這個(gè)設(shè)計(jì)思想的用法。
秒表調(diào)整時(shí)間的時(shí)候,要求按著某個(gè)按鍵不放,時(shí)間能連續(xù)的向上增加。這個(gè)東西很實(shí)用,實(shí)際的家電中用途很廣泛。
在看下面的東西之前,大家可以想一下,這東西難嗎?相信大家都會(huì)很響亮的回答,“不難!!”,然而我再問(wèn):“這東西麻煩嗎?”我相信很多人肯定會(huì)說(shuō)“很麻煩??!” 這不禁讓我想起開(kāi)始學(xué)單片機(jī)的時(shí)候?qū)戇@種按鍵的那程序,亂七八糟的結(jié)構(gòu)。如果不相信的話(huà),可以自己用51寫(xiě)一下哦,那樣就更加能體會(huì)本文說(shuō)的分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
項(xiàng)目要求:
兩個(gè)按鍵,分別分配在P10 和P20,分別是“加”“減”按鍵,要求長(zhǎng)按鍵的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)連續(xù)加和連續(xù)減的功能。
實(shí)戰(zhàn):
假設(shè)按鍵上拉,沒(méi)有按鍵的時(shí)候高電平,有按鍵的時(shí)候低電平,另外,為了突出問(wèn)題,這里沒(méi)有將延時(shí)消抖的程序?qū)懮先?,在?shí)際項(xiàng)目中應(yīng)該加上。C語(yǔ)言函數(shù)參數(shù)的傳遞多種多樣,這里作為例子,用了最簡(jiǎn)單的全局變量來(lái)傳遞參數(shù),當(dāng)然你也可以用 unsigned charReadPort(void) 返回一個(gè)讀鍵結(jié)果,甚至還可以 void ReadPort(unsigned char*pt) 用一個(gè)指針變量傳遞地址而達(dá)到直接修改變量的目的。方法是多種多樣的,這個(gè)決定于每個(gè)人的程序風(fēng)格。
1)開(kāi)始寫(xiě)硬件層程序,完成映射
#defineKYE_MIN 0X01#defineKEY_PLUS 0X01unsignedchar KeyDat;voidReadPort(void){if (P1 & KEY_PLUS == 0 ) { KeyDat |= 0x01 ; }if (P2 & KEY_MIN == 0 ) { KeyDat |= 0x02 ; }}
C語(yǔ)言應(yīng)該很容易看懂吧?如果 KEY_PLUS 按下,P10口讀到低電平,則 P1 &KEY_PLUS 的結(jié)果為 0 (xxxx xxx0 & 0000 0001),滿(mǎn)足if 的條件,進(jìn)入KeyDat |=0x01 是將 KeyDat 的bit0 置一,也就是說(shuō),將 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0
KEY_MIN是同樣的道理映射到 KeyDat 的 bit1,如果 KeyDat 的 bit0 為 1 ,則說(shuō)明 KEY_PLUS 按下,反則亦然。
不需要想的很神秘,映射就是這么一回事。如果還有其他按鍵的話(huà),用同樣辦法,將他們?nèi)坑成涞?KeyDat 上面。
2)驅(qū)動(dòng)層程序編寫(xiě)
如果將 KeyDat想象成 P1 口,那么這個(gè)跟學(xué)習(xí)板那標(biāo)準(zhǔn)的掃描程序不就是一樣了嗎?對(duì)的,這個(gè)就是底層映射的目的了。
3)應(yīng)用層程序編寫(xiě)
根據(jù)消息,硬件層是必須分離出來(lái),然而驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的要求就不那么嚴(yán)格了,事實(shí)上一些簡(jiǎn)單的項(xiàng)目沒(méi)有必要將這兩層分離開(kāi)來(lái),根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活應(yīng)對(duì)就可以了。
其實(shí)這樣寫(xiě)程序是很方便移植的,根據(jù)板子的不同而適當(dāng)?shù)男薷囊幌掠布幽莻€(gè) ReadPort 函數(shù)就完成了,驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層很多代碼可以不經(jīng)過(guò)修改直接用,很能提高開(kāi)發(fā)效率的。當(dāng)然這個(gè)按鍵程序會(huì)存在一定的問(wèn)題,特別是遇到常閉按鍵和點(diǎn)觸按鍵的混合使用的場(chǎng)合。這個(gè)留給大家自己去想了,反正問(wèn)題總是能找到解決辦法的,盡管方法有好有壞。
2. 時(shí)間片輪設(shè)計(jì)思想
先用一個(gè)小例子引出今天的主題,想象一下,一個(gè)基本的家電控制板,肯定或多或少的會(huì)包含 :LED 或者 數(shù)碼管顯示,按鍵, 繼電器或者可控硅的輸出 這3部分。數(shù)碼管需要 10ms到20ms的動(dòng)態(tài)掃描,按鍵也需要20ms左右的延時(shí)消抖,有沒(méi)有意識(shí)到,其實(shí)這些時(shí)間是同時(shí)在進(jìn)行的。
回想一下咱們的教科書(shū)怎么教 按鍵 的延時(shí)消抖的?沒(méi)錯(cuò),死循環(huán),絕對(duì)是原地踏步死循環(huán),用指令來(lái)計(jì)時(shí)。這樣很自然的引發(fā)一個(gè)問(wèn)題,單片機(jī)在原地踏步死循環(huán)的話(huà),那么其它的工作怎么辦?如數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描怎么辦?
唯有等按鍵掃描之后再進(jìn)行了,這樣出來(lái)的效果,數(shù)碼管肯定會(huì)閃爍的,掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)了,縮短按鍵消抖時(shí)間也不是解決辦法,想象如果咱們還有其它很多工作也是同時(shí)做的呢?
解決辦法之一,就是今天的主題,分時(shí)掃描的思想。當(dāng)然不會(huì)是唯一的辦法,只不過(guò)俺一直在用,覺(jué)得這個(gè)是非常不錯(cuò)的思想,可以解決很多實(shí)際問(wèn)題。大膽妄言一下,分時(shí)掃描的思想也是單片機(jī)編程最核心的思想了,信不信就由你自己判斷了。
核心思想的實(shí)現(xiàn):
其實(shí)是幾個(gè)步驟
第一、用RTC中斷來(lái)計(jì)時(shí),RTC的中斷時(shí)間短一點(diǎn),我習(xí)慣是125us ,為了解紅外遙控的碼,這個(gè)時(shí)間是需要的。RTC計(jì)時(shí)是相當(dāng)準(zhǔn)的,盡量利用。
第二、在RTC的中斷服務(wù)程序里面放3個(gè)(數(shù)量自定)記時(shí)器(說(shuō)白了就是計(jì)數(shù)器),我的習(xí)慣是 2ms 5ms 500ms 這3個(gè)是作為基準(zhǔn)時(shí)間,提供給整個(gè)系統(tǒng)來(lái)調(diào)用的,所以必須準(zhǔn)確一點(diǎn),實(shí)際用示波器調(diào)一下就OK了,不難。
第三、在主程序的循環(huán)里面放一個(gè)專(zhuān)門(mén)處理時(shí)間的子程序。(注:?jiǎn)纹瑱C(jī)是不會(huì)停的,永遠(yuǎn)在不斷循環(huán)的跑,這個(gè)跟學(xué)校學(xué)的貌似有點(diǎn)不同,俺面試的時(shí)候被問(wèn)過(guò)這個(gè)問(wèn)題 ….) 將所有的時(shí)間處理都放在時(shí)間處理子程序里面做,這樣是非常方便的,一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)最起碼需要處理 10~20個(gè)不同的時(shí)間,也需要10~20個(gè)計(jì)時(shí)器了,而且相當(dāng)多要求同時(shí)不同步工作的,如果每個(gè)都單獨(dú)的話(huà)是相當(dāng)?shù)穆闊?/span>
第四、“程序是跑著來(lái)等,而不是站著來(lái)等”,這話(huà)看來(lái)有點(diǎn)玄,一個(gè)跟俺一起進(jìn)去公司的工程師討論的時(shí)候提到的這個(gè)問(wèn)題,俺覺(jué)得這個(gè)也是分時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)比較重要的思想,所以也這樣叫,下面有細(xì)說(shuō)。
第五、下面用程序來(lái)說(shuō)話(huà),注釋盡量詳細(xì),可以不用看代碼,直接看注釋就可以了。
(一)先中斷服務(wù)程序部分:
每 125us 中斷一次
------------產(chǎn)生幾個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間-----
(1) ref_2ms寄存器不斷的減1,每次中斷減1,一共減 16次,所以這里經(jīng)過(guò)的時(shí)間是 125us × 16 = 2ms,這個(gè)就是所謂的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器 了。這樣就可以靠一個(gè)系統(tǒng)的RTC中斷,來(lái)實(shí)現(xiàn)我們需要的很多個(gè)定時(shí)時(shí)間。
(2)置2ms 計(jì)時(shí)結(jié)束標(biāo)志,這個(gè)是提供給時(shí)間處理程序用的,這是一個(gè)計(jì)時(shí)器的框架,下面的5ms計(jì)時(shí)完全相同。
這程序還用了一個(gè)塊的框架,比較方便的,不過(guò)跟今天的主題無(wú)關(guān),以后郁悶的時(shí)候再上來(lái)寫(xiě)寫(xiě)這個(gè)。上面的程序就是中斷服務(wù)程序里面的計(jì)時(shí)器,分別定時(shí) 2ms 5ms 500ms,計(jì)時(shí)完畢溢出是flag_time 標(biāo)志來(lái)記錄的,程序通過(guò)讀這個(gè)標(biāo)志就可以知道定時(shí)的時(shí)間是否已經(jīng)到了。
(二)下面看那個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間服務(wù)子程序
上面用了按鍵20ms消抖的計(jì)時(shí)器作為例子,如果理解之后就可以發(fā)現(xiàn),我們可以完全模仿那個(gè)計(jì)時(shí)器而在下面放很多很多的計(jì)時(shí)器,則每5ms 進(jìn)來(lái)一下,每個(gè)計(jì)時(shí)器都同時(shí)在計(jì)數(shù)了,誰(shuí)先計(jì)算完畢就先關(guān)掉自己,置相應(yīng)的標(biāo)志給其它程序調(diào)用,而對(duì)其它計(jì)時(shí)器完全沒(méi)有影響!
這樣,我們可以在這里放很多個(gè)計(jì)時(shí)器了,一般來(lái)說(shuō),十來(lái)二十個(gè)是沒(méi)有問(wèn)題的,完全滿(mǎn)足一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)時(shí)間的需求了。
單個(gè)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,先判斷允許計(jì)時(shí)標(biāo)志是否進(jìn)入計(jì)時(shí),然后一個(gè)專(zhuān)用的寄存器在加1或者減1,加/減相應(yīng)的數(shù)值之后也就是相應(yīng)的時(shí)間到了,關(guān)掉計(jì)時(shí)器,置相應(yīng)需要用到的標(biāo)志。
到這里差不多了,俺們需要的時(shí)間都可以出來(lái)了,這樣做是不是非常方便?咱們?cè)賮?lái)看看在這段時(shí)間里單片機(jī)在做了什么東西?
有中斷計(jì)時(shí)夠 5ms 或者 500ms ,那個(gè)溢出標(biāo)志才有效,才能進(jìn)入上面的計(jì)時(shí)程序,其它時(shí)間都是在做其它事情。而且進(jìn)入上面的計(jì)時(shí)器的時(shí)候,可以看出,并不是在那里死循環(huán),只是單純的加減一下寄存器就退出了,整個(gè)過(guò)程耗時(shí)極其短,看代碼不同吧,5us到 20us左右吧,對(duì)主程序的執(zhí)行沒(méi)有什么影響。
(三)下面看看具體怎么調(diào)用
最開(kāi)始談過(guò)的按鍵的消抖時(shí)間處理問(wèn)題,現(xiàn)在就用上面介紹的辦法來(lái)看具體怎么解決問(wèn)題。按鍵的處理也是重要的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn),不過(guò)不在本次的討論范圍,所以只是單單的討論怎么解決時(shí)間問(wèn)題,而對(duì)于按鍵的一些問(wèn)題,下次有機(jī)會(huì)繼續(xù)討論吧,hoho~~~
大概是這樣的:判斷什么時(shí)候有健,沒(méi)有的話(huà)跳出,有的話(huà)開(kāi)始延時(shí)消抖的計(jì)時(shí),第二次進(jìn)來(lái)的時(shí)候直接由標(biāo)志位控制過(guò)去判斷時(shí)間時(shí)候夠。
同樣是等待,這里就是最后一點(diǎn)所說(shuō)的,咱這是跑著來(lái)等,不是站著來(lái)等。跟死循環(huán)定時(shí)比較,在沒(méi)有定時(shí)到20ms 的這段時(shí)間里面單片機(jī)在做什么?
死循環(huán)的話(huà),肯定就是在原地等,什么都不做,而看看上面的程序,他只是判斷是否定時(shí)夠,具體的定時(shí)在統(tǒng)一的時(shí)間子程序里面做,判斷沒(méi)有到時(shí)間的話(huà)就跳出了,繼續(xù)跑其它的程序,直到當(dāng)時(shí)間到了,單片機(jī)判斷出flag_delay,key_flow 符合條件,開(kāi)始進(jìn)入按鍵處理程序了,在這個(gè)期間,單片機(jī)都在做其它事情,只是一個(gè)主循環(huán)跑回來(lái)判斷一次,所以單片機(jī)完全有空跑其它的程序,而沒(méi)有將時(shí)間都耗在消抖上面。
(四)看看我的主程序循環(huán)體
這個(gè)就是我用的循環(huán)體了,所有功能都做成子程序形式了,需要就掛上去就可以了,比較方便,這樣一個(gè)總的循環(huán)體,單片機(jī)就是在不斷的執(zhí)行這個(gè)循環(huán)體,如果整個(gè)程序都采用上面說(shuō)的分時(shí)掃的思想的話(huà),一周循環(huán)回來(lái)的時(shí)間是相當(dāng)短的,其實(shí)是不是跟電腦的思想有點(diǎn)像呢?
電腦再快也并不是同時(shí)處理多個(gè)任務(wù),而且每次處理一個(gè),然后非常快的速度來(lái)循環(huán)處理,讓我們感覺(jué)上他是在同時(shí)處理多個(gè)程序那樣,我想,我最終想表達(dá)的思想也就是這個(gè)而已。 在我看來(lái),有這個(gè)思想支撐下,單片機(jī)的程序變得比較容易上手了,剩下的只是集中精力去用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的思想而已,當(dāng)然,這里只是說(shuō)一種可行的辦法而已,不是說(shuō)只有這種辦法,如果大家有好的思想也分享一下哦,編寫(xiě)程序是一門(mén)藝術(shù),寫(xiě)出來(lái)很容易,但是寫(xiě)得好,寫(xiě)得精巧,那就很難了。
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