摘要：對(duì)于單片機(jī)程序來(lái)說(shuō)，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(kāi)發(fā)的不斷增多，架構(gòu)是非常必要的。

應(yīng)用程序的架構(gòu)大致有三種：

1、簡(jiǎn)單的前后臺(tái)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(guò)執(zhí)行順序編寫應(yīng)用程序即可。

2、時(shí)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(yīng)該是應(yīng)用程序編寫的最高境界。

一、程序框架設(shè)計(jì)

1、前后臺(tái)順序執(zhí)行法

這是初學(xué)者們常用的程序框架設(shè)計(jì)方案，不用考慮太多東西，代碼簡(jiǎn)單，或者對(duì)系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性和并發(fā)性要求不高；初始化后通過(guò)while(1){}或for(;;){}`循環(huán)不斷調(diào)用自己編寫完成的函數(shù)，也基本不考慮每個(gè)函數(shù)執(zhí)行所需要的時(shí)間，大部分情況下函數(shù)中或多或少都存在毫秒級(jí)別的延時(shí)等待。

• 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這是最容易也是最直觀的程序架構(gòu)，邏輯簡(jiǎn)單明了，適用于邏輯簡(jiǎn)單，復(fù)雜度比較低的軟件開(kāi)發(fā)。

• 缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性低，由于每個(gè)函數(shù)或多或少存在毫秒級(jí)別的延時(shí)，即使是1ms，也會(huì)造成其他函數(shù)間隔執(zhí)行時(shí)間的不同，雖然可通過(guò)定時(shí)器中斷的方式，但是前提是中斷執(zhí)行函數(shù)花的時(shí)間必須短。當(dāng)程序邏輯復(fù)雜度提升時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后來(lái)維護(hù)人員的大腦混亂，很難理清楚該程序的運(yùn)行狀態(tài)。

以下是在校期間做的寢室防盜系統(tǒng)的部分代碼（當(dāng)時(shí)也存在部分BUG，沒(méi)有解決?，F(xiàn)在再看，其實(shí)很多問(wèn)題，而且比較嚴(yán)重，比如中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)竟然有3000ms延時(shí)，這太可怕了，還有串口發(fā)送等等；由于實(shí)時(shí)性要求不算太高，因此主函數(shù)中的毫秒級(jí)別延時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行沒(méi)有多大影響，當(dāng)然除BUG外；若是后期需要維護(hù)，那就是一個(gè)大工程，還不如推翻重寫)：

intmain(void)
{
u8temperature;
u8humidity;
inta;
delay_init();
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
I2c_init();
uart2_Init(9600);
uart_init(9600);//串口初始化為115200
TIM3_Int_Init(4999,7199);
ds1302_init();
while(DHT11_Init())//DHT11初始化
{
led2=0;
}
a1602_init();
Ds1302Init();
EXTIX_Init();
GPIOX_Init();
lcd12864_INIT();
LcdInit();
beep_init();
RED_Init();
led1=1;
beep=0;
while(1)
{
for(a=0;a<11;a++)
{
num[a+3]=At24c02Read(a+2)-208;
delay_us(10);
}
for(a=0;a<6;a++)
{
shuru[a]=At24c02Read(a+13)-208;
delay_us(10);
}
delay_ms(10);
RED_Scan();
Ds1302ReadTime();//讀取ds1302的日期時(shí)間
shi=At24c02Read(0);//讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù)
delay_ms(10);
fen=At24c02Read(1);//讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù)
usart2_scan();//藍(lán)牙數(shù)據(jù)掃描
usart2_bian();//藍(lán)牙處理數(shù)據(jù)
usart2_gai();
nao_scan();
k++;
if(k<20)
{
if(k==1)
LcdWriteCom(0x01);//清屏
LcdDisplay();//顯示日期時(shí)間
}
if(RED==0)
RED_Scan();
if(k>=20&&k<30)
{
if(k==20)
LcdWriteCom(0x01);//清屏
Lcddisplay();//顯示溫濕度
LcdWriteCom(0x80+6);
DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);//讀取溫濕度值
Temp=temperature;Humi=humidity;
LcdWriteData('0'+temperature/10);
LcdWriteData('0'+temperature%10);
LcdWriteCom(0x80+0X40+6);
LcdWriteData('0'+humidity/10);
LcdWriteData('0'+humidity%10);
}
if(k==30)
k=0;
lcd12864();//顯示防盜鬧鐘狀態(tài)
}
}

//定時(shí)器3中斷服務(wù)程序
voidTIM3_IRQHandler(void)//TIM3中斷
{
inti;
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!=RESET)//檢查TIM3更新中斷發(fā)生與否
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除TIMx更新中斷標(biāo)志
if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0)//時(shí)間一到鬧鐘響起
{
f=1;
}
if(key1==0||FEN-fen!=0||SHI-shi!=0)
else
{
f=0;
}
if(USART_RX_BUF[0]=='R'&&USART_RX_BUF[1]=='I'&&USART_RX_BUF[2]=='N'&&USART_RX_BUF[3]=='G')
{
key0=1;
for(i=0;i<17;i++)
{
USART_SendData(USART1,num[i]);//向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束
USART_RX_STA=0;
}
delay_ms(3000);
for(i=0;i<3;i++)
{
USART_SendData(USART1,num1[i]);//向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束
USART_RX_STA=0;
}
}
}
}

二、時(shí)間片論法

介于前后臺(tái)順序執(zhí)行法和操作系統(tǒng)之間的一種程序架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案需能幫助嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者更上一層樓，在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若遇到以下幾點(diǎn)，那么該設(shè)計(jì)方案可以說(shuō)是最優(yōu)選擇，適用于程序較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)；

• 目前的需求設(shè)計(jì)需要完全沒(méi)有必要上操作系統(tǒng)。
• 任務(wù)函數(shù)無(wú)需時(shí)刻執(zhí)行，存在間隔時(shí)間(比如按鍵，一般情況下，都需要軟件防抖，初學(xué)者的做法通常是延時(shí)10ms左右再去判斷，但10ms極大浪費(fèi)了CPU的資源，在這段時(shí)間內(nèi)CPU完全可以處理很多其他事情)
• 實(shí)時(shí)性有一定的要求。

該設(shè)計(jì)方案需要使用一個(gè)定時(shí)器，一般情況下定時(shí)1ms即可（定時(shí)時(shí)間可隨意定，但中斷過(guò)于頻繁效率就低，中斷太長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差），因此需要考慮到每個(gè)任務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，建議不能超過(guò)1ms（能通過(guò)程序優(yōu)化縮短執(zhí)行時(shí)間則最好優(yōu)化，如果不能優(yōu)化的，則必須保證該任務(wù)的執(zhí)行周期必須遠(yuǎn)大于任務(wù)所執(zhí)行的耗時(shí)時(shí)間），同時(shí)要求主循環(huán)或任務(wù)函數(shù)中不能存在毫秒級(jí)別的延時(shí)。

“

如何確定每個(gè)函數(shù)的任務(wù)周期呢？根據(jù)任務(wù)的耗時(shí)和效果決定、如按鍵掃描任務(wù)周期為 10ms(為了提高響應(yīng))，指示燈控制任務(wù)周期為 100ms（通常情況下最高100ms的閃爍頻率正好，特殊需求除外)，LCD/OLED 顯示周期為 100ms(通過(guò)這種通過(guò)SPI/IIC等接口的方式耗時(shí)大約在 1~10ms，甚至更長(zhǎng)，所以任務(wù)周期必須遠(yuǎn)大于耗時(shí)，同時(shí)為了滿足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太長(zhǎng)，100ms 的任務(wù)周期比較合適)等。

”

以下介紹兩種不同的實(shí)現(xiàn)方案，分別針對(duì)無(wú)函數(shù)指針概念的朋友和想進(jìn)一步學(xué)習(xí)的朋友。

1、無(wú)函數(shù)指針的設(shè)計(jì)方式

/**
*@brief主函數(shù).
*@paramNone.
*@returnNone.
*/

intmain(void)
{
System_Init();

while(1)
{
if(TIM_1msFlag)//1ms
{
CAN_CommTask();//CAN發(fā)送/接收通信任務(wù)

TIM_1msFlag=0;
}
if(TIM_10msFlag)//10ms
{
KEY_ScanTask();//按鍵掃描處理任務(wù)

TIM_10msFlag=0;
}
if(TIM_20msFlag)//20ms
{
LOGIC_HandleTask();//邏輯處理任務(wù)

TIM_20msFlag=0;
}
if(TIM_100msFlag)//100ms
{
LED_CtrlTask();//指示燈控制任務(wù)

TIM_100msFlag=0;
}
if(TIM_500msFlag)//500ms
{
TIM_500msFlag=0;
}
if(TIM_1secFlag)//1s
{
WDog_Task();//喂狗任務(wù)
TIM_1secFlag=0;
}
}
}

/**
*@brief定時(shí)器3中斷服務(wù)函數(shù).
*@paramNone.
*@returnNone.
*/
voidTIM3_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)==SET)//溢出中斷
{
sg_1msTic++;
sg_1msTic%1==0?TIM_1msFlag=1:0;
sg_1msTic%10==0?TIM_10msFlag=1:0;
sg_1msTic%20==0?TIM_20msFlag=1:0;
sg_1msTic%100==0?TIM_100msFlag=1:0;
sg_1msTic%500==0?TIM_500msFlag=1:0;
sg_1msTic%1000==0?(TIM_1secFlag=1,sg_1msTic=0):0;
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除中斷標(biāo)志位
}

2、含函數(shù)指針的設(shè)計(jì)方式

/**
*@brief任務(wù)函數(shù)相關(guān)信息結(jié)構(gòu)體定義.
*/
typedefstruct{
uint8m_runFlag;/*!
uint16m_timer;/*!
uint16m_itvTime;/*!
void(*m_pTaskHook)(void);/*!
}TASK_InfoType;

#defineTASKS_MAX5//定義任務(wù)數(shù)目

/**任務(wù)函數(shù)相關(guān)信息*/
staticTASK_InfoTypesg_tTaskInfo[TASKS_MAX]={
{0,1,1,CAN_CommTask},//CAN通信任務(wù)
{0,10,10,KEY_ScanTask},//按鍵掃描任務(wù)
{0,20,20,LOGIC_HandleTask},//邏輯處理任務(wù)
{0,100,100,LED_CtrlTask},//指示燈控制任務(wù)
{0,1000,1000,WDog_Task},//喂狗任務(wù)
};


/**
*@brief任務(wù)函數(shù)運(yùn)行標(biāo)志處理.
*@note該函數(shù)由1ms定時(shí)器中斷調(diào)用
*@paramNone.
*@returnNone.
*/
voidTASK_Remarks(void)
{
uint8i;
for(i=0;iif(sg_tTaskInfo[i].m_timer)
{
sg_tTaskInfo[i].m_timer--;
if(0==sg_tTaskInfo[i].m_timer)
{
sg_tTaskInfo[i].m_timer=sg_tTaskInfo[i].m_itvTime;
sg_tTaskInfo[i].m_runFlag=1;
}
}
}
}

/**
*@brief任務(wù)函數(shù)運(yùn)行處理.
*@note該函數(shù)由主循環(huán)調(diào)用
*@paramNone.
*@returnNone.
*/
voidTASK_Process(void)
{
uint8i;
for(i=0;iif(sg_tTaskInfo[i].m_runFlag)
{
sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook();//運(yùn)行任務(wù)
sg_tTaskInfo[i].m_runFlag=0;//標(biāo)志清0
}
}
}

/**
*@brief主函數(shù).
*@paramNone.
*@returnNone.
*/
intmain(void)
{
System_Init();
while(1)
{
TASK_Process();
}
}

/**
*@brief定時(shí)器3中斷服務(wù)函數(shù).
*@paramNone.
*@returnNone.
*/
voidTIM3_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)==SET)//溢出中斷
{
TASK_Remarks();
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除中斷標(biāo)志位
}

三、操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded OperatingSystem)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域，而對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，比較常用的有UCOS、FreeRTOS、RT-Thread Nano和RTX 等多種搶占式操作系統(tǒng)(其他如Linux等操作系統(tǒng)不適用于單片機(jī))

操作系統(tǒng)和“時(shí)間片論法”，在任務(wù)執(zhí)行方面來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)對(duì)每個(gè)任務(wù)的耗時(shí)沒(méi)有過(guò)多的要求，需要通過(guò)設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，在高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒時(shí)，會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；操作系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，因此這里沒(méi)有詳細(xì)介紹了。

關(guān)于如何選擇合適的操作系統(tǒng)(uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX等RTOS的對(duì)比之特點(diǎn)：

• uCOS:網(wǎng)上資料豐富，非常適合學(xué)習(xí)，但是在產(chǎn)品上使用則需要收費(fèi)。
• FreeRTOS：使用免費(fèi)，因此很多產(chǎn)品都在用。
• RT-Thread：國(guó)產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，有著十分豐富的組件，也免費(fèi)，資料：RT-Thread文檔中心。
• RTX:為ARM和Cortex-M設(shè)備設(shè)計(jì)的免版稅，確定性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

借網(wǎng)上一張對(duì)比圖：

四、總結(jié)

從上述的對(duì)比中可以看出，時(shí)間片輪詢法的優(yōu)勢(shì)還是比較大的，它既有前后臺(tái)順序執(zhí)行法的優(yōu)點(diǎn)，也有操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單，非常容易理解，所以這種是比較常用的單片機(jī)設(shè)計(jì)框架。