MCU--应用程序架构

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-10-23 03:57 118阅读 0赞

对于单片机程序来说，大家都不陌生，但是真正使用架构，考虑架构的恐怕并不多，随着程序开发的不断增多，本人觉得架构是非常必要的。发现真正使用架构的并不多，而且这类书籍基本没有。好不容易找到份资料，可以参考：**《谈谈怎样架构你的单片机程序》**。  
        本人经过摸索实验，并总结，**大致应用程序的架构**有**三种**：  
1. 简单的**前后台**顺序执行程序，这类写法是大多数人使用的方法，不需用思考程序的具体架构，直接通过执行顺序编写应用程序即可。  
2. **时间片轮询**法，此方法是介于顺序执行与操作系统之间的一种方法。

3.** 操作系统**，此法应该是应用程序编写的最高境界。

下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。。。。。。。。。。。。。

1. 前后台顺序执行法

前后台程序一般是指没有“操作系统”的程序。所谓的前台，就是主动去判断处理某个事务，这个是主循环里要做的事，也就是你代码主要要写的。所谓的后台，指的是：中断，也就是不需要你的CPU去判别，就会自动进入某一种状态，你在这个状态下做你要做的事就可以了。

这种方法，应用程序比较简单。实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。

这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。  
   
下面就写一个顺序执行的程序模型，方便和后面要写的两种方法对比：  
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : main()  
\* Description    : 主函数  
\* 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;  
        \}  
    \}

2. 时间片轮询法  
   
       时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。  
   
       对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想，对初学者有一定的借鉴作用。  
   
       在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：  
   
1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。  
   
2. 定义一个数值。  
   
代码:  
\#define TASK\_NUM   (3)                  //  这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。  
   
uint16 TaskCount\[TASK\_NUM\] ;           //  这里为三个任务定义三个变量来存放定时值

uint8  TaskMark\[TASK\_NUM\];             //  同样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。

3. 在定时器中断服务函数中添加：  
  
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName : TimerInterrupt()  
\* Description : 定时中断服务函数  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TimerInterrupt(void)  
\{  
    uint8 i;  
  
  
    for (i=0; i<TASKS\_NUM; i++)   
    \{  
        if (TaskCount\[i\])   
        \{  
              TaskCount\[i\]--;   
              if (TaskCount\[i\] == 0)   
              \{  
                    TaskMark\[i\] = 0x01;   
              \}  
        \}  
   \}  
\}  
   
代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。  
   
4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：  
  
代码:  
TaskCount\[0\] = 20;       // 延时20ms  
TaskMark\[0\]  = 0x00;     // 启动此任务的定时器  
到此我们只需要在任务中判断TaskMark\[0\] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。。。。。。。。。。。  
   
通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。  
   
循环判断标志位：  
那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。  
   
执行其他函数：  
那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。  
   
时间片轮询法的架构：  
   
1.设计一个结构体：  
   
代码:  
// 任务结构  
typedef struct \_TASK\_COMPONENTS  
\{  
    uint8 Run;                 // 程序运行标记：0-不运行，1运行  
    uint8 Timer;              // 计时器  
    uint8 ItvTime;              // 任务运行间隔时间  
    void (\*TaskHook)(void);    // 要运行的任务函数  
\} TASK\_COMPONENTS;       // 任务定义  
   
这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。  
   
2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。  
   
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskRemarks()  
\* Description    : 任务标志处理  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TaskRemarks(void)  
\{  
    uint8 i;  
    for (i=0; i<TASKS\_MAX; i++)          // 逐个任务时间处理  
    \{  
         if (TaskComps\[i\].Timer)          // 时间不为0  
        \{  
            TaskComps\[i\].Timer--;         // 减去一个节拍  
            if (TaskComps\[i\].Timer == 0)       // 时间减完了  
            \{  
                 TaskComps\[i\].Timer = TaskComps\[i\].ItvTime;       // 恢复计时器值，从新下一次  
                 TaskComps\[i\].Run = 1;           // 任务可以运行  
            \}  
        \}  
   \}  
\}  
   
大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？  
   
3. 任务处理  
  
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskProcess()  
\* Description    : 任务处理  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TaskProcess(void)  
\{  
    uint8 i;  
    for (i=0; i<TASKS\_MAX; i++)           // 逐个任务时间处理  
    \{  
         if (TaskComps\[i\].Run)           // 时间不为0  
        \{  
             TaskComps\[i\].TaskHook();         // 运行任务  
             TaskComps\[i\].Run = 0;          // 标志清0  
        \}  
    \}     
\}  
   
此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。  
   
到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。  
   
下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。  
   
1. 定义一个上面定义的那种结构体变量  
  
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* Variable definition                              
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
static TASK\_COMPONENTS TaskComps\[\] =   
\{  
    \{0, 1000, 1000, TaskDisplayClock\},            // 显示时钟  
    \{0, 20, 20, TaskKeySan\},               // 按键扫描  
    \{0, 30, 30, TaskDispStatus\},            // 显示工作状态  
     // 这里添加你的任务。。。。  
\};  
   
在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。  
   
①大概意思是，我们有三个任务，每1s执行一下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。  
②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。  
③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。  
   
2. 任务列表  
  
代码:  
// 任务清单  
typedef enum \_TASK\_LIST  
\{  
    TAST\_DISP\_CLOCK,            // 显示时钟  
    TAST\_KEY\_SAN,             // 按键扫描  
    TASK\_DISP\_WS,             // 工作状态显示  
     // 这里添加你的任务。。。。  
     TASKS\_MAX                                           // 总的可供分配的定时任务数目  
\} TASK\_LIST;  
   
好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS\_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。  
   
3. 编写任务函数  
   
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskDisplayClock()  
\* Description    : 显示任务  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TaskDisplayClock(void)  
\{  
   
\}  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskKeySan()  
\* Description    : 扫描任务  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TaskKeySan(void)  
\{  
  
  
\}  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskDispStatus()  
\* Description    : 工作状态显示  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
void TaskDispStatus(void)  
\{  
  
  
\}  
   
// 这里添加其他任务。。。。。。。。。  
   
现在你就可以根据自己的需要编写任务了。  
   
4. 主函数  
   
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : main()  
\* Description    : 主函数  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
int main(void)   
\{   
    InitSys();                  // 初始化  
    while (1)  
    \{  
        TaskProcess();             // 任务处理  
    \}  
\}  
   
到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？  
   
       不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。。。。。。。。。  
  
  
3.操作系统  
   
       操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理，执行本事并不需要我们去了解。但是光是移植都是一件非常困难的是，虽然有人说过“你如果使用过系统，将不会在去使用前后台程序”。但是真正能使用操作系统的人并不多，不仅是因为系统的使用本身很复杂，而且还需要购买许可证（ucos也不例外，如果商用的话）。  
   
       这里本人并不想过多的介绍操作系统本身，因为不是一两句话能过说明白的，下面列出UCOS下编写应该程序的模型。大家可以对比一下，这三种方式下的各自的优缺点。  
   
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : main()  
\* Description    : 主函数  
\* EntryParameter : None  
\* ReturnValue    : None  
\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/  
int main(void)   
\{   
    OSInit();                // 初始化uCOS-II  
    OSTaskCreate((void (\*) (void \*)) TaskStart,        // 任务指针  
                (void   \*) 0,            // 参数  
                (OS\_STK \*) &TaskStartStk\[TASK\_START\_STK\_SIZE - 1\], // 堆栈指针  
                (INT8U   ) TASK\_START\_PRIO);        // 任务优先级  
    OSStart();                                       // 启动多任务环境  
                                          
    return (0);   
\}  
   
代码:  
/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*  
\* FunctionName   : TaskStart()            
\* Description    : 任务创建，只创建任务，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();                                               // 这东西可以测量CPU使用量   
\#endif  
 OSTaskCreate((void (\*) (void \*)) TaskLed,     // 任务1  
                (void   \*) 0,               // 不带参数  
                (OS\_STK \*) &TaskLedStk\[TASK\_LED\_STK\_SIZE - 1\],  // 堆栈指针  
                (INT8U   ) TASK\_LED\_PRIO);         // 优先级  
 // Here the task of creating your  
                  
    while (1)  
    \{  
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);  
    \}  
\}  
   
不难看出，时间片轮询法优势还是比较大的，即由顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解。。。。。。。。。

以上参考资料：

http://bbs.eeworld.com.cn/thread-311494-1-1.html

https://zhidao.baidu.com/question/77018357.html

以下附《谈谈怎样架构你的单片机程序》

![Center][]

![Center 1][]

[Center]: /images/20221022/38372b42822d41e0b80210cb940f0d6e.png
[Center 1]: /images/20221022/48e37ef095b8434cbe2dc7f26891b13f.png