單片機的三種應用程序架構

時間：2021-08-19 16:06:06

關鍵字：單片機應用程序

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[導讀]在工作中經(jīng)過摸索實驗，總結出單片機大致應用程序的架構有三種：1.簡單的前后臺順序執(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，直接通過執(zhí)行順序編寫應用程序即可。2.時間片輪詢法，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)，此法應該是應用程序編寫...

在工作中經(jīng)過摸索實驗，總結出單片機大致應用程序的架構有三種：
1. 簡單的前后臺順序執(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，直接通過執(zhí)行順序編寫應用程序即可。
2. 時間片輪詢法，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)，此法應該是應用程序編寫的最高境界。
下面就分別談談這三種方法的利弊和適應范圍等。一、順序執(zhí)行法這種方法，這應用程序比較簡單，實時性，并行性要求不太高的情況下是不錯的方法，程序設計簡單，思路比較清晰。但是當應用程序比較復雜的時候，如果沒有一個完整的流程圖，恐怕別人很難看懂程序的運行狀態(tài)，而且隨著程序功能的增加，編寫應用程序的工程師的大腦也開始混亂。即不利于升級維護，也不利于代碼優(yōu)化。本人寫個幾個比較復雜一點的應用程序，剛開始就是使用此法，最終雖然能夠實現(xiàn)功能，但是自己的思維一直處于混亂狀態(tài)。導致程序一直不能讓自己滿意。
?這種方法大多數(shù)人都會采用，而且我們接受的教育也基本都是使用此法。對于我們這些基本沒有學習過數(shù)據(jù)結構，程序架構的單片機工程師來說，無疑很難在應用程序的設計上有一個很大的提高，也導致了不同工程師編寫的應用程序很難相互利于和學習。
本人建議，如果喜歡使用此法的網(wǎng)友，如果編寫比較復雜的應用程序，一定要先理清頭腦，設計好完整的流程圖再編寫程序，否則后果很嚴重。當然應該程序本身很簡單，此法還是一個非常必須的選擇。
下面就寫一個順序執(zhí)行的程序模型，方便和下面兩種方法對比：

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、時間片輪詢法時間片輪詢法，在很多書籍中有提到，而且有很多時候都是與操作系統(tǒng)一起出現(xiàn)，也就是說很多時候是操作系統(tǒng)中使用了這一方法。不過我們這里要說的這個時間片輪詢法并不是掛在操作系統(tǒng)下，而是在前后臺程序中使用此法。也是本貼要詳細說明和介紹的方法。?對于時間片輪詢法，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。下面本人將詳細介紹這種模式，并參考別人的代碼建立的一個時間片輪詢架構程序的方法，我想將給初學者有一定的借鑒性。
在這里我們先介紹一下定時器的復用功能。?使用1個定時器，可以是任意的定時器，這里不做特殊說明，下面假設有3個任務，那么我們應該做如下工作：
1.?初始化定時器，這里假設定時器的定時中斷為1ms(當然你可以改成10ms，這個和操作系統(tǒng)一樣，中斷過于頻繁效率就低，中斷太長，實時性差)。
2.?定義一個數(shù)值：

代碼#define TASK_NUM ? (3)??????????????????//? 這里定義的任務數(shù)為3，表示有三個任務會使用此定時器定時。?uint16 TaskCount[TASK_NUM]?;?????????? //? 這里為三個任務定義三個變量來存放定時值uint8 ?TaskMark[TASK_NUM];?????????????//? 同樣對應三個標志位，為0表示時間沒到，為1表示定時時間到。

3.?在定時器中斷服務函數(shù)中添加：

代碼/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定時中斷服務函數(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：定時中斷服務函數(shù)，在中斷中逐個判斷，如果定時值為0了，表示沒有使用此定時器或此定時器已經(jīng)完成定時，不著處理。否則定時器減一，知道為零時，相應標志位值1，表示此任務的定時值到了。
4.?在我們的應用程序中，在需要的應用定時的地方添加如下代碼，下面就以任務1為例：

代碼TaskCount[0] = 20;???????// 延時20msTaskMark[0]??= 0x00;???? // 啟動此任務的定時器到此我們只需要在任務中判斷TaskMark[0]?是否為0x01即可。其他任務添加相同，至此一個定時器的復用問題就實現(xiàn)了。用需要的朋友可以試試，效果不錯哦。。。。。。。。。。。
通過上面對1個定時器的復用我們可以看出，在等待一個定時的到來的同時我們可以循環(huán)判斷標志位，同時也可以去執(zhí)行其他函數(shù)。
循環(huán)判斷標志位：那么我們可以想想，如果循環(huán)判斷標志位，是不是就和上面介紹的順序執(zhí)行程序是一樣的呢？一個大循環(huán)，只是這個延時比普通的for循環(huán)精確一些，可以實現(xiàn)精確延時。
執(zhí)行其他函數(shù)：那么如果我們在一個函數(shù)延時的時候去執(zhí)行其他函數(shù)，充分利用CPU時間，是不是和操作系統(tǒng)有些類似了呢？但是操作系統(tǒng)的任務管理和切換是非常復雜的。下面我們就將利用此方法架構一直新的應用程序。?時間片輪詢法的架構：
?1.設計一個結構體：

代碼// 任務結構
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
??? uint8 Run;???????????????? // 程序運行標記：0-不運行，1運行
??? uint8 Timer; ???????????? // 計時器
??? uint8 ItvTime;??????????????// 任務運行間隔時間
??? void (*TaskHook)(void);????// 要運行的任務函數(shù)
} TASK_COMPONENTS;???????// 任務定義這個結構體的設計非常重要，一個用4個參數(shù)，注釋說的非常詳細，這里不在描述。
2.?任務運行標志出來，此函數(shù)就相當于中斷服務函數(shù)，需要在定時器的中斷服務函數(shù)中調(diào)用此函數(shù)，這里獨立出來，并于移植和理解。

代碼/**************************************************************************************
* FunctionName?? : TaskRemarks()
* Description??? : 任務標志處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue??? : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
??? uint8 i;??? for (i=0; i??? {
??????? ?if (TaskComps[i].Timer)????????? // 時間不為0
??????? {
??????????? TaskComps[i].Timer--;???????? // 減去一個節(jié)拍
??????????? if (TaskComps[i].Timer == 0)?????? // 時間減完了
?????????? ?{
???????????????? TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime;?????? // 恢復計時器值，從新下一次
???????????????? TaskComps[i].Run = 1;?????????? // 任務可以運行
??????????? }
??????? }
?? }
}大家認真對比一下次函數(shù)，和上面定時復用的函數(shù)是不是一樣的呢？
3.?任務處理：

代碼/**************************************************************************************
* FunctionName?? : TaskProcess()
* Description??? : 任務處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue??? : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
??? uint8 i;??? for (i=0; i??? {
???????? if (TaskComps[i].Run)?????????? // 時間不為0
??????? {
???????????? TaskComps[i].TaskHook();???????? // 運行任務
???????????? TaskComps[i].Run = 0;????????? // 標志清0
??????? }
??? }???
}
此函數(shù)就是判斷什么時候該執(zhí)行那一個任務了，實現(xiàn)任務的管理操作，應用者只需要在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)用和處理任務函數(shù)。
到此，一個時間片輪詢應用程序的架構就建好了，大家看看是不是非常簡單呢？此架構只需要兩個函數(shù)，一個結構體，為了應用方面下面將再建立一個枚舉型變量。
下面就說說怎樣應用吧，假設我們有三個任務：時鐘顯示，按鍵掃描，和工作狀態(tài)顯示。

1.?定義一個上面定義的那種結構體變量：

代碼/**************************************************************************************
* Variable definition????????????????????????????
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =?
{
??? {0, 60, 60, TaskDisplayClock},??????????? // 顯示時鐘
??? {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。。。。};在定義變量時，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)行時間優(yōu)先級等都有關系，這個需要自己掌握。
①大概意思是，我們有三個任務，沒1s執(zhí)行以下時鐘顯示，因為我們的時鐘最小單位是1s，所以在秒變化后才顯示一次就夠了。
②由于按鍵在按下時會參數(shù)抖動，而我們知道一般按鍵的抖動大概是20ms，那么我們在順序執(zhí)行的函數(shù)中一般是延伸20ms，而這里我們每20ms掃描一次，是非常不錯的出來，即達到了消抖的目的，也不會漏掉按鍵輸入。
③為了能夠顯示按鍵后的其他提示和工作界面，我們這里設計每30ms顯示一次，如果你覺得反應慢了，你可以讓這些值小一點。后面的名稱是對應的函數(shù)名，你必須在應用程序中編寫這函數(shù)名稱和這三個一樣的任務。
2.?任務列表：

代碼// 任務清單
typedef enum _TASK_LIST
{
??? TAST_DISP_CLOCK,??????????? // 顯示時鐘
??? 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。。。。
???? TASKS_MAX?????????????????????????????????????????? // 總的可供分配的定時任務數(shù)目
} TASK_LIST;好好看看，我們這里定義這個任務清單的目的其實就是參數(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的關系而已。
3.?編寫任務函數(shù)：

代碼/**************************************************************************************
* FunctionName?? : TaskDisplayClock()
* Description??? : 顯示任務* EntryParameter : None
* ReturnValue??? : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{?}/**************************************************************************************
* FunctionName?? : TaskKeySan()
* Description??? : 掃描任務
* 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。。。。。。。。。
現(xiàn)在你就可以根據(jù)自己的需要編寫任務了。
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();???????????? // 任務處理
??? }
}到此我們的時間片輪詢這個應用程序的架構就完成了，你只需要在我們提示的地方添加你自己的任務函數(shù)就可以了。是不是很簡單啊，有沒有點操作系統(tǒng)的感覺在里面？?不防試試把，看看任務之間是不是相互并不干擾？并行運行呢？當然重要的是，還需要，注意任務之間進行數(shù)據(jù)傳遞時，需要采用全局變量，除此之外還需要注意劃分任務以及任務的執(zhí)行時間，在編寫任務時，盡量讓任務盡快執(zhí)行完成。。。。。。。。
三、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的本身是一個比較復雜的東西，任務的管理，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)，將不會在去使用前后臺程序”。但是真正能使用操作系統(tǒng)的人并不多，不僅是因為系統(tǒng)的使用本身很復雜，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，因為不是一兩句話能過說明白的，下面列出UCOS下編寫應該程序的模型。大家可以對比一下，這三種方式下的各自的優(yōu)缺點。

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,??????? // 任務指針
??????????????? (void?? *) 0,??????????? // 參數(shù)
??????????????? (OS_STK *)