嵌入式開發(fā)中常用的軟件架構(gòu)

前言

在嵌入式軟件開發(fā)，包括單片機開發(fā)中，軟件架構(gòu)對于開發(fā)人員是一個必須認(rèn)真考慮的問題。軟件架構(gòu)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(gòu)不僅結(jié)構(gòu)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)行架構(gòu)（我就是這樣的）。在嵌入式軟件開發(fā)中，程序架構(gòu)主要分為三種，本篇文章將對這三種程序架構(gòu)做出詳解。

1、軟件架構(gòu)存在的意義

可以說一個好的程序架構(gòu)，是一個有經(jīng)驗的工程師和一個初學(xué)者的分水嶺。軟件架構(gòu)對于開發(fā)人員是友好的，你希望先執(zhí)行什么任務(wù)后執(zhí)行什么任務(wù)，或者這一個時間點執(zhí)行什么任務(wù)下一個執(zhí)行什么任務(wù)，又或者什么事件會同步到某個任務(wù)等等，在不同的軟件架構(gòu)下，解決上述問題的具體方法都是有所區(qū)別的。

軟件架構(gòu)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(dāng)你熟練使用其中某一個程序架構(gòu)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(dāng)然，我建議要根據(jù)需要選擇合適的軟件架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，具體原因在文章后面會進(jìn)行介紹。

2、深入介紹三種不同的程序架構(gòu)

三種常用的軟件架構(gòu)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(wù)操作系統(tǒng)。為了讓大家有一個更為清晰的認(rèn)識，我分別用三種軟件架構(gòu)對一個實例進(jìn)行介紹說明。這個實例如下：它有4個任務(wù)，這4個任務(wù)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(shè)置測量距離的閾值，當(dāng)測距距離低于設(shè)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(yīng)用是汽車倒車?yán)走_(dá)的具體體現(xiàn)）。

2.1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(wù)函數(shù)中獲取測量距離后進(jìn)行顯示，在主函數(shù)的循環(huán)中進(jìn)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(biāo)志的同步方式在主循環(huán)和后臺中斷中執(zhí)行，對應(yīng)的程序代碼如圖所示：

順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的主函數(shù)

順序執(zhí)行前后臺系統(tǒng)的中斷服務(wù)函數(shù)

這種架構(gòu)的優(yōu)點是使用簡單易于理解，而缺點是每個任務(wù)所占的CPU時間過長的話，會導(dǎo)致程序的實時性能差，就比如按鍵的檢測等。

2.2時間片輪詢系統(tǒng)和多任務(wù)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(zhì)其實就是選出一個定時器，沒進(jìn)一次定時中斷對計數(shù)值進(jìn)行自加，在主循環(huán)中根據(jù)這個計數(shù)值執(zhí)行任務(wù)，這個計數(shù)值也就是任務(wù)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(shè)置為20ms，因為按鍵抖動的時長一般為20ms，這樣處理既達(dá)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(shè)置為30ms，如果你覺得刷新反應(yīng)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(shè)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：

時間片輪詢系統(tǒng)的主函數(shù)

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。

2.3多任務(wù)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的本身是一個比較復(fù)雜的東西，任務(wù)的管理和調(diào)度實現(xiàn)的底層是很復(fù)雜和困難的。但是呢，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(xué)習(xí)和理解它的一些調(diào)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(chǎn)品的具體要求有關(guān)，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(fù)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(jié)構(gòu)，大家可以對比一下：

freertos多任務(wù)系統(tǒng)中主函數(shù)

freertos多任務(wù)操作系統(tǒng)中的任務(wù)回調(diào)函數(shù)

3、如何選擇合適的軟件架構(gòu)

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(fù)雜的設(shè)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(gòu)的設(shè)計問題，相信在讀者中開發(fā)裸機的也占大多數(shù)。

我認(rèn)為沒有最好的軟件架構(gòu)（程序架構(gòu)），而是只有最合適的。因為在不同的應(yīng)用場景中適合采用不同的程序設(shè)計，而單純的去比較哪種程序架構(gòu)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(yīng)用場景進(jìn)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(gòu)，這個軟件架構(gòu)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?zé)襞莸?；而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(gòu)需要我們對時間片進(jìn)行深思熟慮的劃分；最后，在一些功能復(fù)雜，邏輯控制較為困難的系統(tǒng)中就適合選擇多任務(wù)操作系統(tǒng)，比如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人機等等應(yīng)用場景。

作為一名嵌入式軟件工程師，掌握這三種軟件架構(gòu)是非常有必要的，它們可以讓我們在設(shè)計程序時擁有更多的選擇和思考，而每一種不同的程序架構(gòu)都具備它自己的優(yōu)勢與不足，這需要我們?nèi)ビ眯膶嵺`方可體會到它的奧妙。
責(zé)任編輯:tzh