轉:侃侃微控制器裸奔的程式框架
以下內容轉載自21IC中國電子網論壇的帖子:侃侃微控制器裸奔的程式框架http://bbs.21ic.com/icview-237577-1-1.html
大家來侃侃微控制器的裸奔程式的框架呀!以下是我總結的一些東西,不合乎之處來請大家指點呀,本人第二次在21ic發帖,希望大家鼓勵鼓勵呀!!
從07年參加全國大學生電子設計大賽初次接觸微控制器開發至今已經有4年了,初學微控制器時,都會糾結於其各個模組功能的應用,如串列埠(232,485)對各種功能IC的控制,電機控制PWM,中斷應用,定時器應用,人機介面應用,CAN匯流排等. 這是一個學習過程中必需的階段,是基本功。很慶幸,在參加電子設計大賽賽前培訓時,MCU周圍的控制都訓練的很紮實。經過這個階段後,後來接觸不同的MCU就會發現,都大同小異,各有各的優勢而已,學任何一種新的MCU都很容易入手包括一些複雜的處理器。而且對MCU的程式設計控制會提升一個高度概況——
然而這只是嵌入式開發中的一點皮毛而已,在接觸過多種MCU,接觸過複雜設計要求,跑過作業系統等等後,我們在回到微控制器的裸機開發時,就不知不覺的就會考慮到整個程式設計的架構問題;一個好的程式架構,是一個有經驗的工程師和一個初學者的分水嶺。
任何對時間要求苛刻的需求都是我們的敵人,在必要的時候我們只有增加硬體成本來消滅它;比如你要8個數碼管來顯示,我們在沒有相關的硬體支援的時候必須用MCU以動態掃描的方式來使其工作良好;而動態掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負擔很重的場合,我會選擇選用一個類似max8279外圍ic來解決這個困擾;
然而慶幸的是,有著許多不是對時間要求苛刻的事情:
例如鍵盤的掃描,人們敲擊鍵盤的速率是有限的,我們無需實時掃描著鍵盤,甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下;然而這個幾十ms的間隔,我們的MCU還可以完成許多的事情;
微控制器雖然是裸機奔跑,但是往往現實的需要決定了我們必須跑出作業系統的姿態——多工程式;
比如一個常用的情況有4個任務:
1 鍵盤掃描;
2 led數碼管顯示;
3 串列埠資料需要接受和處理;
4 串列埠需要傳送資料;
如何來構架這個微控制器的程式將是我們的重點;
讀書時代的我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在主迴圈中,而串列埠接收資料用中斷,在中斷服務函式中組成相應的幀格式後置位相應的標誌位,在主函式的迴圈中進行資料的處理,串列埠傳送資料以及led的顯示也放在主迴圈中;
這樣整個程式就以標誌變數的通訊方式,相互配合的在主迴圈和後臺中斷中執行;
然而必須指出其不妥之處:
每個任務的時間片可能過長,這將導致程式的實時效能差。如果以這樣的方式在多加幾個任務,使得一個迴圈的時間過長,可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個良好的通用程式設計模型,我們必須想辦法,消去每個任務中費時間的部分以及把每個任務再次分解;下面來細談每個任務的具體措施:
鍵盤掃描是微控制器的常用函式,以下指出常用的鍵盤掃描程式中,嚴重阻礙系統實時效能的地方;
眾所周知,一個鍵按下之後的波形是這樣的(假定低有效):
在有鍵按下後,資料線上的訊號出現一段時間的抖動,然後為低,然後當按鍵釋放時,訊號抖動一段時間後變高。當然,在資料線為低或者為高的過程中,都有可能出現一些很窄的干擾訊號。
unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8;
if ((P2&0xf8)!=0xf8)
{
delay(100); //延時20ms去抖--------這裡太費時了,很糟糕
if((P2&0xf8)!=0xf8)
{
sccode=0xfe;
while((sccode&0x08)!=0)
{
P2=sccode;
if ((P2&0xf8)!=0xf8)
break;
sccode=(sccode<<1)|0x01;
}
recode=(P2&0xf8)|0x0f;
return(sccode&recode);
}
}
return (KEY_NONE);
}
鍵盤掃描是需要軟體去抖的,這沒有爭議,然而該函式中用軟體延時來去抖(ms級別的延時),這是一個維持系統實時效能的一個大忌諱;一般還有一個判斷按鍵釋放的程式碼:
While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死迴圈等待
這樣很糟糕,如果把鍵盤按下一直不放,這將導致整個系統其它的任務也不能執行,這將是個很嚴重的bug。
有人會這樣進行處理:
While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++ > 10)
Break;
}
即在一定得時間內,如果鍵盤一直按下,將作為有效鍵處理。這樣雖然不導致整個系統其它任務不能執行,但也很大程度上,削弱了系統的實時效能,因為他用了延時函式;
我們用兩種有效的方法來解決此問題:
1 在按鍵功能比較簡單的情況下,我們仍然用上面的kbscan()函式進行掃描,只是把其中去抖用的軟體延時去了,把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個函式來處理,它不用軟體延時,而是用定時器的計時(用一般的計時也行)來完成;程式碼如下
void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}
void ScanKey(void)
{
++KeyDebounceCnt;//去抖計時(這個計時也可以放在後臺定時器計時函式中處理)
KeyCode = kbscan();
if (KeyCode != KEY_NONE)
{
if (KeyDebounceFlg)//進入去抖狀態的標誌位
{
if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大於了去抖規定的時間
{
if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在,則返回鍵值
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 1;//釋放標誌
return; //Here exit with keycode
}
ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode,只是抖動而已
}
}else{
if (KeyReleaseFlg == 0)
{
KeyOldCode = KeyCode;
KeyDebounceFlg = 1;
KeyDebounceCnt = 0;
}else{
if (KeyCode != KeyOldCode)
ClearKeyFlag();
}
}
}else{
ClearKeyFlag();//沒有按鍵則清零標誌
}
KeyCode = KEY_NONE;
}
在按鍵情況較複雜的情況,如有長按鍵,組合鍵,連鍵等一些複雜功能的按鍵時候,我們跟傾向於用狀態機來實現鍵盤的掃描;
//avr 微控制器 中4*3掃描狀態機實現
char read_keyboard_FUN2()
{
static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time;
char key_return = No_key,i;
switch (key_state)
{
case 0: //最初的狀態,進行3*4的鍵盤掃描
key_line = 0b00001000;
for (i=1; i<=4; i++) // 掃描鍵盤
{
PORTD = ~key_line; // 輸出行線電平
PORTD = ~key_line; // 必須送2次!!!(注1)
key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平
if (key_value == Key_mask)
key_line <<= 1; // 沒有按鍵,繼續掃描
else
{
key_state++; // 有按鍵,停止掃描
break; // 轉消抖確認狀態
}
}
break;
case 1: //此狀態來判斷按鍵是不是抖動引起的
if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平,
{
key_state++; // 轉入等待按鍵釋放狀態
key_time=0;
}
else
key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態0,(消抖處理)
break;
case 2: // 等待按鍵釋放狀態
PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平
PORTD = 0b00000111; // 重複送一次
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
{
key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態0
key_return= (key_line | key_value);//獲得了鍵值
}
else if(++key_time>=100)//如果長時間沒有釋放
{
key_time=0;
key_state=3;//進入連鍵狀態
key_return= (key_line | key_value);
}
break;
case 3://對於連鍵,每隔50ms就得到一次鍵值,windows xp 系統就是這樣做的
PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平
PORTD = 0b00000111; // 重複送一次
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態0
else if(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵
{
key_time=0;
key_return= (key_line | key_value);
}
break;
}
return key_return;
}
以上用了4個狀態,一般的鍵盤掃描只用前面3個狀態就可以了,後面一個狀態是為增加“連鍵”功能設計的。連鍵——即如果按下某個鍵不放,則迅速的多次響應該鍵值,直到其釋放。在主迴圈中每隔10ms讓該鍵盤掃描函式執行一次即可;我們定其時限為10ms,當然要求並不嚴格。
2 數碼管的顯示
一般情況下我們用的八位一體的數碼管,採用動態掃描的方法來完成顯示;非常慶幸人眼在高於50hz以上的閃爍時發現不了的。所以我們在動態掃描數碼管的間隔時間是充裕的。這裡我們定其時限為4ms(250HZ) ,用定時器定時為2ms,在定時中斷程式中進行掃描的顯示,每次只顯示其中的一位;當然時限也可以弄長一些,更推薦的方法是把顯示函式放入主迴圈中,而定時中斷中置位相應的標誌位即可;
// Timer 0 比較匹配中斷服務,4ms定時
interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)
{
display(); // 呼叫LED掃描顯示
……………………
}
void display(void) // 8位LED數碼管動態掃描函式
{
PORTC = 0xff; // 這裡把段選都關閉是很必要的,否則數碼管會產生拖影
PORTA = led_7[dis_buff[posit]];
PORTC = position[posit];
if (++posit >=8 )
posit = 0;
}
3 串列埠接收資料幀串列埠接收時用中斷方式的,這無可厚非。但如果你試圖在中斷服務程式中完成一幀資料的接收就麻煩大了。永遠記住,中斷服務函式越短越好,否則影響這個程式的實時效能。一個數據幀一般包括若干個位元組,我們需要判斷一幀是否完成,校驗是否正確。在這個過程中我們不能用軟體延時,更不能用死迴圈等待等方式;
所以我們在串列埠接收中斷函式中,只是把資料放置於一個緩衝佇列中。
至於組成幀,以及檢查幀的工作我們在主迴圈中解決,並且每次迴圈中我們只處理一個數據,每個位元組資料的處理間隔的彈性比較大,因為我們已經快取在了佇列裡面。
/*==========================================
功能:串列埠傳送接收的時間事件
說明:放在大迴圈中每10ms一次
輸出:none
輸入:none
==========================================*/
void UARTimeEvent(void)
{
if (TxTimer != 0)//傳送需要等待的時間遞減
--TxTimer;
if (++RxTimer > RX_FRAME_RESET) //
RxCnt = 0; //如果接受超時(即不完整的幀或者接收一幀完成),把接收的不完整幀覆蓋
}
/*==========================================
功能:串列埠接收中斷
說明:接收一個數據,存入快取
輸出:none
輸入:none
==========================================*/
interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void)
{
INT8U status,data;
status = UCSRA;
data = UDR;
if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0){
RxBuf[RxBufWrIdx] = data;
if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收資料於緩衝中
RxBufWrIdx = 0;
if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){
RxBufCnt = 0;
//RxBufferOvf=1;
}
}
}
/*==========================================
功能:串列埠接收資料幀
說明:當非0輸出時,收到一幀資料
放在大迴圈中執行
輸出:==0:沒有資料幀
!=0:資料幀命令字
輸入:none
==========================================*/
INT8U ChkRxFrame(void)
{
INT8U dat;
INT8U cnt;
INT8U sum;
INT8U ret;
ret = RX_NULL;
if (RxBufCnt != 0){
RxTimer = 0; //清接收計數時間,UARTimeEvent()中對於接收超時做了放棄整幀資料的處理
//Display();
cnt = RxCnt;
dat = RxBuf[RxBufRdIdx]; // Get Char
if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE)
RxBufRdIdx = 0;
Cli();
--RxBufCnt;
Sei();
FrameBuf[cnt++] = dat;
if (cnt >= FRAME_LEN)// 組成一幀
{
sum = 0;
for (cnt = 0;cnt < (FRAME_LEN - 1);cnt++)
sum+= FrameBuf[cnt];
if (sum == dat)
ret = FrameBuf[0];
cnt = 0;
}
RxCnt = cnt;
}
return ret;
}
以上的程式碼ChkRxFrame()可以放於串列埠接收資料處理函式RxProcess() 中,然後放入主迴圈中執行即可。以上用一個計時變數RxTimer,很微妙的解決了接收幀超時的放棄幀處理,它沒有用任何等待,而且主迴圈中每次只是接收一個位元組資料,時間很短。
我們開始架構整個系統的框架:
我們選用一個系統不常用的TIMER來產生系統所需的系統基準節拍,這裡我們選用4ms;
在meg8中我們程式碼如下:
// Timer 0 overflow interrupt service routine
interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)
{
// Reinitialize Timer 0 value
TCNT0=0x83;
// Place your code here
if ((++Time1ms & 0x03) == 0)
TimeIntFlg = 1;
}
然後我們設計一個TimeEvent()函式,來呼叫一些在以指定的頻率需要迴圈呼叫的函式,比如每個4ms我們就進行喂狗以及數碼管動態掃描顯示,每隔1s我們就呼叫led閃爍程式,每隔20ms我們進行鍵盤掃描程式;
void TimeEvent (void)
{
if (TimeIntFlg){
TimeIntFlg = 0;
ClearWatchDog();
display(); // 在4ms事件中,呼叫LED掃描顯示,以及喂狗
if (++Time4ms > 5){
Time4ms = 0;
TimeEvent20ms();//在20ms事件中,我們處理鍵盤掃描read_keyboard_FUN2()
if (++Time100ms > 10){
Time100ms = 0;
TimeEvent1Hz();// 在1s事件中,我們使工作指示燈閃爍
}
}
UARTimeEvent();//串列埠的資料接收事件,在4ms事件中處理
}
}
顯然整個思路已經很清晰了,cpu需要處理的迴圈事件都可以根據其對於時間的要求很方便的加入該函式中。但是我們對這事件有要求:執行速度快,簡短,不能有太長的延時等待,其所有事件一次執行時間和必須小於系統的基準時間片4ms(根據需要可以加大系統基準節拍)。所以我們的鍵盤掃描程式,數碼管顯示程式,串列埠接收程式都如我先前所示。如果逼不得已需要用到較長的延時(如模擬IIc時序中用到的延時)
我們設計了這樣的延時函式:
void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時函式的單位為4ms(系統基準節拍)
{
while (delay){
if (TimeIntFlg){
--delay;
TimeEvent();
}
TxProcess();
RxProcess();
}
}
我們需要延時的時間=delay*系統記住節拍4ms,此函式就確保了在延時的同時,我們其它事件(鍵盤掃描,led顯示等)也並沒有被耽誤;
好了這樣我們的主函式main()將很簡短:
Void main (voie)
{
Init_all();
while (1)
{
TimeEvent(); //對於迴圈事件的處理
RxProcess(); //串列埠對接收的資料處理
TxProcess();// 串列埠傳送資料處理
}
}
整體看來我們的系統就成了將近一個萬能的模版了,根據自己所選的cpu,選個定時器,在新增自己的事件函式即可,非常靈活方便實用,一般的微控制器能勝任的場合,該模版都能搞定。整個系統以全域性標誌作為主線,形散神不散;系統耗費比較小,只是犧牲了一個Timer而已,在資源缺乏的微控制器中,非常適用;曾經看過一個網友的模版“微控制器實用系統”,其以51為例子寫的,整體思路和這個差不多,不過他寫得更為規範緊湊,非常欣賞;但個人覺得程式碼開銷量要大些,用慣了都一樣哦。但是由於本系統以全域性標誌為驅動事件,所以比較感覺比較凌亂,全域性最好都做好註釋,而其要注意一些隱形的函式遞迴情況,千萬不要遞迴的太深哦(有的微控制器不支援)。