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详解单片机三种应用程序的架构

摘要:对于单片机程序来说,大家都不陌生,但是真正使用架构,考虑架构的恐怕并不多,随着程序开发的不断增多,架构是非常必要的。

应用程序的架构大致有三种:

1、简单的前后台顺序执行程序,这类写法是大多数人使用的方法,不需用思考程序的具体架构,直接通过执行顺序编写应用程序即可。

2、时间片轮询法,此方法是介于顺序执行与操作系统之间的一种方法。

3、操作系统,此法应该是应用程序编写的最高境界。

一、程序框架设计

1、前后台顺序执行法

这是初学者们常用的程序框架设计方案,不用考虑太多东西,代码简单,或者对系统的整体实时性和并发性要求不高;初始化后通过while(1){}for(;;){}`循环不断调用自己编写完成的函数,也基本不考虑每个函数执行所需要的时间,大部分情况下函数中或多或少都存在毫秒级别的延时等待。

  • 优点:对于初学者来说,这是最容易也是最直观的程序架构,逻辑简单明了,适用于逻辑简单,复杂度比较低的软件开发。

  • 缺点:实时性低,由于每个函数或多或少存在毫秒级别的延时,即使是1ms,也会造成其他函数间隔执行时间的不同,虽然可通过定时器中断的方式,但是前提是中断执行函数花的时间必须短。当程序逻辑复杂度提升时,会导致后来维护人员的大脑混乱,很难理清楚该程序的运行状态。

以下是在校期间做的寝室防盗系统的部分代码(当时也存在部分BUG,没有解决。现在再看,其实很多问题,而且比较严重,比如中断服务函数内竟然有3000ms延时,这太可怕了,还有串口发送等等;由于实时性要求不算太高,因此主函数中的毫秒级别延时对系统运行没有多大影响,当然除BUG外;若是后期需要维护,那就是一个大工程,还不如推翻重写):

 intmain(void) { u8temperature; u8humidity; inta; delay_init(); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); I2c_init(); uart2_Init(9600); uart_init(9600);//串口初始化为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();//读取ds1302的日期时间 shi=At24c02Read(0);//读取闹钟保存的数据 delay_ms(10); fen=At24c02Read(1);//读取闹钟保存的数据 usart2_scan();//蓝牙数据扫描 usart2_bian();//蓝牙处理数据 usart2_gai(); nao_scan(); k++; if(k<20) { if(k==1) LcdWriteCom(0x01);//清屏 LcdDisplay();//显示日期时间 } if(RED==0) RED_Scan(); if(k>=20&&k<30) { if(k==20) LcdWriteCom(0x01);//清屏 Lcddisplay();//显示温湿度 LcdWriteCom(0x80+6); DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);//读取温湿度值 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();//显示防盗闹钟状态 } }  //定时器3中断服务程序 voidTIM3_IRQHandler(void)//TIM3中断 { inti; if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!=RESET)//检查TIM3更新中断发生与否 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除TIMx更新中断标志 if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0)//时间一到闹钟响起 { 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发送数据 while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束 USART_RX_STA=0; } delay_ms(3000); for(i=0;i<3;i++) { USART_SendData(USART1,num1[i]);//向串口1发送数据 while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束 USART_RX_STA=0; } } } } 

二、时间片论法

介于前后台顺序执行法操作系统之间的一种程序架构设计方案。该设计方案需能帮助嵌入式软件开发者更上一层楼,在嵌入式软件开发过程中,若遇到以下几点,那么该设计方案可以说是最优选择,适用于程序较复杂的嵌入式系统;

  • 目前的需求设计需要完全没有必要上操作系统。
  • 任务函数无需时刻执行,存在间隔时间(比如按键,一般情况下,都需要软件防抖,初学者的做法通常是延时10ms左右再去判断,但10ms极大浪费了CPU的资源,在这段时间内CPU完全可以处理很多其他事情)
  • 实时性有一定的要求。

该设计方案需要使用一个定时器,一般情况下定时1ms即可(定时时间可随意定,但中断过于频繁效率就低,中断太长,实时性差),因此需要考虑到每个任务函数的执行时间,建议不能超过1ms(能通过程序优化缩短执行时间则最好优化,如果不能优化的,则必须保证该任务的执行周期必须远大于任务所执行的耗时时间),同时要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时。

如何确定每个函数的任务周期呢?根据任务的耗时和效果决定、如按键扫描任务周期为 10ms(为了提高响应),指示灯控制任务周期为 100ms(通常情况下最高100ms的闪烁频率正好,特殊需求除外),LCD/OLED 显示周期为 100ms(通过这种通过SPI/IIC等接口的方式耗时大约在 1~10ms,甚至更长,所以任务周期必须远大于耗时,同时为了满足人眼所能接受的刷屏效果,也不能太长,100ms 的任务周期比较合适)等。

以下介绍两种不同的实现方案,分别针对无函数指针概念的朋友和想进一步学习的朋友。

1、无函数指针的设计方式

 /** *@brief主函数. *@paramNone. *@returnNone. */  intmain(void) { System_Init();  while(1) { if(TIM_1msFlag)//1ms { CAN_CommTask();//CAN发送/接收通信任务  TIM_1msFlag=0; } if(TIM_10msFlag)//10ms { KEY_ScanTask();//按键扫描处理任务  TIM_10msFlag=0; } if(TIM_20msFlag)//20ms { LOGIC_HandleTask();//逻辑处理任务  TIM_20msFlag=0; } if(TIM_100msFlag)//100ms { LED_CtrlTask();//指示灯控制任务  TIM_100msFlag=0; } if(TIM_500msFlag)//500ms { TIM_500msFlag=0; } if(TIM_1secFlag)//1s { WDog_Task();//喂狗任务 TIM_1secFlag=0; } } }  /** *@brief定时器3中断服务函数. *@paramNone. *@returnNone. */ voidTIM3_IRQHandler(void) { if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)==SET)//溢出中断 { 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);//清除中断标志位 } 

2、含函数指针的设计方式

 /** *@brief任务函数相关信息结构体定义. */ typedefstruct{ uint8m_runFlag;/*!< 程序运行标记:0-不运行,1运行 */ uint16m_timer;/*!< 计时器 */ uint16m_itvTime;/*!< 任务运行间隔时间 */ void(*m_pTaskHook)(void);/*!< 要运行的任务函数 */ }TASK_InfoType;  #defineTASKS_MAX5//定义任务数目  /**任务函数相关信息*/ staticTASK_InfoTypesg_tTaskInfo[TASKS_MAX]={ {0,1,1,CAN_CommTask},//CAN通信任务 {0,10,10,KEY_ScanTask},//按键扫描任务 {0,20,20,LOGIC_HandleTask},//逻辑处理任务 {0,100,100,LED_CtrlTask},//指示灯控制任务 {0,1000,1000,WDog_Task},//喂狗任务 };   /** *@brief任务函数运行标志处理. *@note该函数由1ms定时器中断调用 *@paramNone. *@returnNone. */ voidTASK_Remarks(void) { uint8i; for(i=0;i< TASKS_MAX; i++)     {         if(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任务函数运行处理. *@note该函数由主循环调用 *@paramNone. *@returnNone. */ voidTASK_Process(void) { uint8i; for(i=0;i< TASKS_MAX; i++)     {         if(sg_tTaskInfo[i].m_runFlag) { sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook();//运行任务 sg_tTaskInfo[i].m_runFlag=0;//标志清0 } } }  /** *@brief主函数. *@paramNone. *@returnNone. */ intmain(void) { System_Init(); while(1) { TASK_Process(); } }  /** *@brief定时器3中断服务函数. *@paramNone. *@returnNone. */ voidTIM3_IRQHandler(void) { if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)==SET)//溢出中断 { TASK_Remarks(); } TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除中断标志位 } 

三、操作系统

嵌入式操作系统EOS(Embedded OperatingSystem)是一种用途广泛的系统软件,过去它主要应用于工业控制和国防系统领域,而对于单片机来说,比较常用的有UCOSFreeRTOSRT-Thread Nano和RTX 等多种抢占式操作系统(其他如Linux等操作系统不适用于单片机)

操作系统和“时间片论法”,在任务执行方面来说,操作系统对每个任务的耗时没有过多的要求,需要通过设置每个任务的优先级,在高优先级的任务就绪时,会抢占低优先级的任务;操作系统相对复杂,因此这里没有详细介绍了。

关于如何选择合适的操作系统(uCOSFreeRTOSRTThreadRTXRTOS的对比之特点:

  • uCOS:网上资料丰富,非常适合学习,但是在产品上使用则需要收费。
  • FreeRTOS:使用免费,因此很多产品都在用。
  • RT-Thread:国产物联网操作系统,有着十分丰富的组件,也免费,资料:RT-Thread文档中心。
  • RTX:为ARM和Cortex-M设备设计的免版税,确定性的实时操作系统。

借网上一张对比图:

详解单片机三种应用程序的架构

四、总结

从上述的对比中可以看出,时间片轮询法的优势还是比较大的,它既有前后台顺序执行法的优点,也有操作系统的优点。结构清晰,简单,非常容易理解,所以这种是比较常用的单片机设计框架。

原文标题:嵌入式软件开发常用的3种架构

文章出处:【微信公众号:嵌入式ARM】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
审核编辑:汤梓红

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