單片機(jī)的三種應(yīng)用程序架構(gòu)

時(shí)間：2021-08-19 16:06:06

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[導(dǎo)讀]在工作中經(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...

在工作中經(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，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??? {
??????? if (TaskCount[i])?
??????? {
????????????? TaskCount[i]--;?
????????????? if (TaskCount[i] == 0)?
????????????? {
??????????????????? TaskMark[i] = 0x01;?
????????????? }
??????? }
?? }
}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)20msTaskMark[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??? {
??????? ?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
??????????? }
??????? }
?? }
}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??? {
???????? 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
??????? }
??? }???
}
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?。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(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 *)