三種必須掌握的嵌入式開發(fā)程序架構
時間：2021-11-03 14:43:41
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[導讀]前言????在嵌入式軟件開發(fā)，包括單片機開發(fā)中，軟件架構對于開發(fā)人員是一個必須認真考慮的問題。??軟件架構對于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性是非常重要的，一個合適的軟件架構不僅結構清晰，并且便于開發(fā)。????我相信在嵌入式或單片機軟件開發(fā)的初期大多數(shù)開發(fā)者采用的都是簡單的前后臺順序執(zhí)行...
軟件架構存在的意義 可以說一個好的程序架構，是一個有經(jīng)驗的工程師和一個初學者的分水嶺。軟件架構對于開發(fā)人員是友好的，你希望先執(zhí)行什么任務后執(zhí)行什么任務，或者這一個時間點執(zhí)行什么任務下一個執(zhí)行什么任務，又或者什么事件會同步到某個任務等等，在不同的軟件架構下，解決上述問題的具體方法都是有所區(qū)別的。 軟件架構對開發(fā)者最大的幫助是：幫助開發(fā)者掌控整個工程的框架，當你熟練使用其中某一個程序架構后，對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的bug你一定能夠快速的定位并解決。當然，我建議要根據(jù)需要選擇合適的軟件架構進行開發(fā)，具體原因在文章后面會進行介紹。
深入介紹三種不同的程序架構
三種常用的軟件架構有：順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)、時間片輪詢系統(tǒng)和多任務操作系統(tǒng)。為了讓大家有一個更為清晰的認識，我分別用三種軟件架構對一個實例進行介紹說明。這個實例如下：它有4個任務，這4個任務為按鍵掃描、聲光報警、顯示屏刷新和超聲波測距。這個實例的具體功能是通過按鍵設置測量距離的閾值，當測距距離低于設置的閾值時，觸發(fā)聲光報警并且將測量距離實時顯示在顯示屏上(這個應用是汽車倒車雷達的具體體現(xiàn))。1、順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)
在順序執(zhí)行的前后臺系統(tǒng)中，我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在while(1)中，而顯示屏刷新和超聲波測距使用中斷，在中斷服務函數(shù)中獲取測量距離后進行顯示，在主函數(shù)的循環(huán)中進行按鍵的檢測，聲光處理也放在主循環(huán)中。這樣整個程序就以變量標志的同步方式在主循環(huán)和后臺中斷中執(zhí)行，對應的程序代碼如圖所示：上面代碼是順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的主函數(shù)。
如上代碼，順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的中斷服務函數(shù)。 這種架構的優(yōu)點是使用簡單易于理解，而缺點是每個任務所占的CPU時間過長的話，會導致程序的實時性能差，就比如按鍵的檢測等。
2、時間片輪詢系統(tǒng)和多任務操作系統(tǒng)
時間片輪詢法實際上通常出現(xiàn)在操作系統(tǒng)中，也就是說他屬于操作系統(tǒng)，但在這里所說的是基于前后臺系統(tǒng)的時間片輪詢。 時間片輪詢法的實質其實就是選出一個定時器，每進一次定時中斷對計數(shù)值進行自加，在主循環(huán)中根據(jù)這個計數(shù)值執(zhí)行任務，這個計數(shù)值也就是任務輪詢的時間片。 在這個實例中，如果采用時間片輪詢系統(tǒng)的話，首先選用主控芯片的任一定時器，定時器定時時間周期由我們決定，為了保證實時性和運行效率，這個值通常取10ms、30ms、50ms等，我會將按鍵掃描輪值值設置為20ms，因為按鍵抖動的時長一般為20ms，這樣處理既達到了消抖的目的，又不會漏掉按鍵的檢測。 而顯示屏的刷新設置為30ms，如果你覺得刷新反應慢了也可以修改這一輪詢值得到改善；而超聲波測距的輪詢值設置為100ms，即每隔100模式觸發(fā)測距一次，這個測距頻率已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)的情況了。 程序代碼如下：如上代碼，時間片輪詢系統(tǒng)的主函數(shù)。
如上代碼，時間片輪詢系統(tǒng)的定時器中斷函數(shù)。 可以看出時間片輪詢法相比順序執(zhí)行還是有很大優(yōu)勢的，既有順序執(zhí)行法的優(yōu)點，也有操作系統(tǒng)的部分優(yōu)點。
3、多任務操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)的本身是一個比較復雜的東西，任務的管理和調度實現(xiàn)的底層是很復雜和困難的。 但是，我們一般都是把操作系統(tǒng)本身作為一個工具一個平臺，我們的目的是使用它的功能而不是開發(fā)一個操作系統(tǒng)。 我使用過ucos和freertos小型的實時操作系統(tǒng)，也使用過Linux大型的操作系統(tǒng)，有了操作系統(tǒng)，不管是對于程序的穩(wěn)定性和開發(fā)的效率都會好很多。 我們在使用操作系統(tǒng)的時候更多的需要去學習和理解它的一些調度和通信的方式。 實際上真正能使用操作系統(tǒng)的人并不多，反而是跑裸機的占大多數(shù)，這也和產品的具體要求有關，很多簡單的系統(tǒng)只需要裸機即可滿足。 在這里本我不過多的介紹操作系統(tǒng)本身，因為操作系統(tǒng)確實挺復雜的，下面圖例中的代碼是在freertos中創(chuàng)建按鍵控制LED亮滅的程序結構，大家可以對比一下：如上，freertos多任務系統(tǒng)中主函數(shù)。
如上，freertos多任務操作系統(tǒng)中的任務回調函數(shù)。實際上還有一些STM32框架可以實現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能，參考此文：一種STM32框架，實現(xiàn)RTOS的部分功能。
如何選擇合適的軟件架構
我使用過多種不同MCU做項目開發(fā)，例如：STM32、STC15、新唐等，也接觸過復雜的設計需求，例如：車載智能系統(tǒng)和智能家居，跑過操作系統(tǒng)ucos、freertos和Linux等等，在回到裸機開發(fā)時，就會不然而然的去思考完整系統(tǒng)的軟件架構的設計問題，相信在讀者中開發(fā)裸機的也占大多數(shù)。 我認為沒有最好的軟件架構(程序架構)，而是只有最合適的。因為在不同的應用場景中適合采用不同的程序設計，而單純的去比較哪種程序架構是最好的沒有什么實際的意義。 那接下來我們來對具體的應用場景進行分析：- 在一些邏輯清晰功能單一的系統(tǒng)中就很適合選擇順序執(zhí)行的前后臺架構，這個軟件架構往往能夠滿足我們大部分的需求，比如電飯煲、電磁爐和聲控燈泡等；
- 在一些資源缺乏的單片機并且對系統(tǒng)可靠性要求較高的情況下非常適合，因為這種方法的系統(tǒng)耗費比較小，只是犧牲了一個定時器而已，但是選擇此種程序架構需要我們對時間片進行深思熟慮的劃分；
- 最后，在一些功能復雜，邏輯控制較為困難的系統(tǒng)中就適合選擇多任務操作系統(tǒng)，比如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人機等等應用場景。
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