單片機程序架構--時間片輪詢法
單片機程序架構--時間片輪詢法
對於單片機程序來說,大家都不陌生,但是真正使用架構,考慮架構的恐怕並不多,隨著程序開發的不斷增多,本人覺得架構是非常必要的。前不就發帖與大家一起討論了一下《談談怎樣架構你的單片機程序》,發現真正使用架構的並不都,而且這類書籍基本沒有。
本人經過摸索實驗,並總結,大致應用程序的架構有三種:
1. 簡單的前後臺順序執行程序,這類寫法是大多數人使用的方法,不需用思考程序的具體架構,直接通過執行順序編寫應用程序即可。
2. 時間片輪詢法,此方法是介於順序執行與操作系統之間的一種方法。
3. 操作系統,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範圍等。。。。。。。。。。。。。
1. 順序執行法:
這種方法,這應用程序比較簡單,實時性,並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,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。即不利於升級維護,也不利於代碼優化。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,最終雖然能夠實現功能,但是自己的思維一直處於混亂狀態。導致程序一直不能讓自己滿意。
這種方法大多數人都會采用,而且我們接受的教育也基本都是使用此法。對於我們這些基本沒有學習過數據結構,程序架構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於和學習。
本人建議,如果喜歡使用此法的網友,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,否則後果很嚴重。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行的程序模型,方面和下面兩種方法對比:
代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* 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;
}
}
}
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一起出現,也就是說很多時候是操作系統中使用了這一方法。不過我們這裏要說的這個時間片輪詢法並不是掛在操作系統下,而是在前後臺程序中使用此法。也是本貼要詳細說明和介紹的方法。
對於時間片輪詢法,雖然有不少書籍都有介紹,但大多說得並不系統,只是提提概念而已。下面本人將詳細介紹本人模式,並參考別人的代碼建立的一個時間片輪詢架構程序的方法,我想將給初學者有一定的借鑒性。
記得在前不久本人發帖《1個定時器多處復用的問題》,由於時間的問題,並沒有詳細說明怎樣實現1個定時器多處復用。在這裏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,這裏不做特殊說明,下面假設有3個任務,那麽我們應該做如下工作:
1. 初始化定時器,這裏假設定時器的定時中斷為1ms(當然你可以改成10ms,這個和操作系統一樣,中斷過於頻繁效率就低,中斷太長,實時性差)。
2. 定義一個數值:
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代碼:
#define TASK_NUM (3) // 這裏定義的任務數為3,表示有三個任務會使用此定時器定時。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 這裏為三個任務定義三個變量來存放定時值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同樣對應三個標誌位,為0表示時間沒到,為1表示定時時間到。
3. 在定時器中斷服務函數中添加:
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定時中斷服務函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
{
if (TaskCount[i])
{
TaskCount[i]--;
if (TaskCount[i] == 0)
{
TaskMark[i] = 0x01;
}
}
}
}
代碼解釋:定時中斷服務函數,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完成定時,不著處理。否則定時器減一,知道為零時,相應標誌位值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:
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代碼:
TaskCount[0] = 20; // 延時20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 啟動此任務的定時器
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判斷標誌位,同時也可以去執行其他函數。
循環判斷標誌位:
那麽我們可以想想,如果循環判斷標誌位,是不是就和上面介紹的順序執行程序是一樣的呢?一個大循環,只是這個延時比普通的for循環精確一些,可以實現精確延時。
執行其他函數:
那麽如果我們在一個函數延時的時候去執行其他函數,充分利用CPU時間,是不是和操作系統有些類似了呢?但是操作系統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一直新的應用程序。
時間片輪詢法的架構:
1.設計一個結構體:
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代碼:
// 任務結構
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
} TASK_COMPONENTS; // 任務定義
這個結構體的設計非常重要,一個用4個參數,註釋說的非常詳細,這裏不在描述。
2. 任務運行標誌出來,此函數就相當於中斷服務函數,需要在定時器的中斷服務函數中調用此函數,這裏獨立出來,並於移植和理解。
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任務標誌處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐個任務時間處理
{
if (TaskComps[i].Timer) // 時間不為0
{
TaskComps[i].Timer--; // 減去一個節拍
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
}
}
}
}
大家認真對比一下次函數,和上面定時復用的函數是不是一樣的呢?
3. 任務處理
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任務處理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐個任務時間處理
{
if (TaskComps[i].Run) // 時間不為0
{
TaskComps[i].TaskHook(); // 運行任務
TaskComps[i].Run = 0; // 標誌清0
}
}
}
此函數就是判斷什麽時候該執行那一個任務了,實現任務的管理操作,應用者只需要在main()函數中調用此函數就可以了,並不需要去分別調用和處理任務函數。
到此,一個時間片輪詢應用程序的架構就建好了,大家看看是不是非常簡單呢?此架構只需要兩個函數,一個結構體,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,和工作狀態顯示。
1. 定義一個上面定義的那種結構體變量
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代碼:
/**************************************************************************************
* 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
// 這裏添加你的任務。。。。
};
在定義變量時,我們已經初始化了值,這些值的初始化,非常重要,跟具體的執行時間優先級等都有關系,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,所以在秒變化後才顯示一次就夠了。
②由於按鍵在按下時會參數抖動,而我們知道一般按鍵的抖動大概是20ms,那麽我們在順序執行的函數中一般是延伸20ms,而這裏我們每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為了能夠顯示按鍵後的其他提示和工作界面,我們這裏設計每30ms顯示一次,如果你覺得反應慢了,你可以讓這些值小一點。後面的名稱是對應的函數名,你必須在應用程序中編寫這函數名稱和這三個一樣的任務。
2. 任務列表
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代碼:
// 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, // 工作狀態顯示
// 這裏添加你的任務。。。。
TASKS_MAX // 總的可供分配的定時任務數目
} TASK_LIST;
好好看看,我們這裏定義這個任務清單的目的其實就是參數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
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代碼:
/**************************************************************************************
* 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 : 工作狀態顯示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 這裏添加其他任務。。。。。。。。。
現在你就可以根據自己的需要編寫任務了。
4. 主函數
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任務處理
}
}
到此我們的時間片輪詢這個應用程序的架構就完成了,你只需要在我們提示的地方添加你自己的任務函數就可以了。是不是很簡單啊,有沒有點操作系統的感覺在裏面?
不防試試把,看看任務之間是不是相互並不幹擾?並行運行呢?當然重要的是,還需要,註意任務之間進行數據傳遞時,需要采用全局變量,除此之外還需要註意劃分任務以及任務的執行時間,在編寫任務時,盡量讓任務盡快執行完成。。。。。。。。。
3.操作系統
操作系統的本身是一個比較復雜的東西,任務的管理,執行本事並不需要我們去了解。但是光是移植都是一件非常困難的是,雖然有人說過“你如果使用過系統,將不會在去使用前後臺程序”。但是真正能使用操作系統的人並不多,不僅是因為系統的使用本身很復雜,而且還需要購買許可證(ucos也不例外,如果商用的話)。
這裏本人並不想過多的介紹操作系統本身,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缺點。
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函數
* 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
(OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任務優先級
OSStart(); // 啟動多任務環境
return (0);
}
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代碼:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskStart()
* Description : 任務創建,只創建任務,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
(OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆棧指針
(INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 優先級
// Here the task of creating your
while (1)
{
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
}
}
不難看出,時間片輪詢法優勢還是比較大的,即由順序執行法的優點,也有操作系統的優點。結構清晰,簡單,非常容易理解。。。。。。。。。
單片機程序架構--時間片輪詢法