干貨：一文搞懂單片機應用程序架構(gòu)

對于單片機程序來說，大家都不陌生，但是真正使用架構(gòu)，考慮架構(gòu)的恐怕并不多，隨著程序開發(fā)的不斷增多，本人覺得架構(gòu)是非常必要的。前不就發(fā)帖與大家一起討論了一下怎樣架構(gòu)你的單片機程序，發(fā)現(xiàn)真正使用架構(gòu)的并不都，而且這類書籍基本沒有。

本人經(jīng)過摸索實驗并總結(jié)，大致應用程序的架構(gòu)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(gòu)，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。

1、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?qū)崿F(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(jié)構(gòu)，程序架構(gòu)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，方面和下面兩種方法對比：

/**************************************************************************************
* 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;
}
}
}

復制代碼

2、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本人模式，并參考別人的代碼建立的一個時間片輪詢架構(gòu)程序的方法，我想將給初學者有一定的借鑒性。

記得在前不久本人發(fā)帖《1 個定時器多處復用的問題》，由于時間的問題，并沒有詳細說明怎樣實現(xiàn) 1 個定時器多處復用。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：

#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。

復制代碼

3. 在定時器中斷服務函數(shù)中添加：

/**************************************************************************************
* 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;
}
}
}
}

復制代碼

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：

TaskCount[0] = 20; // 延時 20ms

TaskMark[0] = 0x00; // 啟動此任務的定時器

復制代碼

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(gòu)一直新的應用程序。

時間片輪詢法的架構(gòu)：

1. 設計一個結(jié)構(gòu)體：

// 任務結(jié)構(gòu)
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

復制代碼

這個結(jié)構(gòu)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。

/**************************************************************************************
* 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
}
}
}
}

復制代碼

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

/**************************************************************************************
* 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
}
}
}

復制代碼

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(gòu)就建好了，大家看看是不是非常簡單呢？此架構(gòu)只需要兩個函數(shù)，一個結(jié)構(gòu)體，為了應用方面下面將再建立一個枚舉型變量。

下面我就就說說怎樣應用吧，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(jié)構(gòu)體變量

/**************************************************************************************
* 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。。。。

};

復制代碼

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

// 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;

復制代碼

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)

/**************************************************************************************
* 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。

復制代碼

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)

/**************************************************************************************
* 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
}
}

復制代碼

到此我們的時間片輪詢這個應用程序的架構(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。

3、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。

/**************************************************************************************
* 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 *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任務優(yōu)先級

OSStart(); // 啟動多任務環(huán)境

return (0);
}

復制代碼

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskStart()
* Description : 任務創(chuàng)建，只創(chuàng)建任務，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(); // 這東西可以測量 CPU 使用量
#endif

OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任務 1
(void *) 0, // 不帶參數(shù)
(OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 優(yōu)先級

// Here the task of creating your

while (1)
{
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
}
}

復制代碼

不難看出，時間片輪詢法優(yōu)勢還是比較大的，即由順序執(zhí)行法的優(yōu)點，也有操作系統(tǒng)的優(yōu)點。結(jié)構(gòu)清晰，簡單，非常容易理解。

審核編輯 黃昊宇