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牛人總結的微控制器應用程式架構

工作中經過摸索實驗,總結出微控制器大致應用程式的架構有三種:
1. 簡單的前後臺順序執行程式,這類寫法是大多數人使用的方法,不需用思考程式的具體架構,直接通過執行順序編寫應用程式即可。


2. 時間片輪詢法,此方法是介於順序執行與作業系統之間的一種方法。


3. 作業系統,此法應該是應用程式編寫的最高境界。


下面就分別談談這三種方法的利弊和適應範圍等。
一、順序執行法
這種方法,這應用程式比較簡單,實時性,並行性要求不太高的情況下是不錯的方法,程式設計簡單,思路比較清晰。但是當應用程式比較複雜的時候,如果沒有一個完整的流程圖,恐怕別人很難看懂程式的執行狀態,而且隨著程式功能的增加,編寫應用程式的工程師的大腦也開始混亂。即不利於升級維護,也不利於程式碼優化。本人寫個幾個比較複雜一點的應用程式,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。導致程式一直不能讓自己滿意。


這種方法大多數人都會採用,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資料結構,程式架構的微控制器工程師來說,無疑很難在應用程式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式很難相互利於和學習。


本人建議,如果喜歡使用此法的網友,如果編寫比較複雜的應用程式,一定要先理清頭腦,設計好完整的流程圖再編寫程式,否則後果很嚴重。當然應該程式本身很簡單,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式模型,方便和下面兩種方法對比:


代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName   : main()
* Description    : 主函式
* 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;
        }
    }
}


二、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作業系統一起出現,也就是說很多時候是作業系統中使用了這一方法。不過我們這裡要說的這個時間片輪詢法並不是掛在作業系統下,而是在前後臺程式中使用此法。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這種模式,並參考別人的程式碼建立的一個時間片輪詢架構程式的方法,我想將給初學者有一定的借鑑性。


在這裡我們先介紹一下定時器的複用功能。


使用1個定時器,可以是任意的定時器,這裡不做特殊說明,下面假設有3個任務,那麼我們應該做如下工作:


1. 初始化定時器,這裡假設定時器的定時中斷為1ms(當然你可以改成10ms,這個和作業系統一樣,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:
代 碼
#define TASK_NUM   (3)                  //  這裡定義的任務數為3,表示有三個任務會使用此定時器定時。


uint16 TaskCount[TASK_NUM] ;           //  這裡為三個任務定義三個變數來存放定時值
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式中新增:
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定時中斷服務函式
* 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; 
              }
        }
   }
}
程式碼解釋:定時中斷服務函式,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. 在我們的應用程式中,在需要的應用定時的地方新增如下程式碼,下面就以任務1為例:


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。其他任務新增相同,至此一個定時器的複用問題就實現了。用需要的朋友可以試試,效果不錯哦。。。。。。。。。。。


通過上面對1個定時器的複用我們可以看出,在等待一個定時的到來的同時我們可以迴圈判斷標誌位,同時也可以去執行其他函式。


迴圈判斷標誌位:
那麼我們可以想想,如果迴圈判斷標誌位,是不是就和上面介紹的順序執行程式是一樣的呢?一個大迴圈,只是這個延時比普通的for迴圈精確一些,可以實現精確延時。


執行其他函式:
那麼如果我們在一個函式延時的時候去執行其他函式,充分利用CPU時間,是不是和作業系統有些類似了呢?但是作業系統的任務管理和切換是非常複雜的。下面我們就將利用此方法架構一直新的應用程式。


時間片輪詢法的架構:


1.設計一個結構體:
代 碼
// 任務結構
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
    uint8 Run;                 // 程式執行標記:0-不執行,1執行
    uint8 Timer;              // 計時器
    uint8 ItvTime;              // 任務執行間隔時間
    void (*TaskHook)(void);    // 要執行的任務函式
} TASK_COMPONENTS;       // 任務定義
這個結構體的設計非常重要,一個用4個引數,註釋說的非常詳細,這裡不在描述。


2. 任務執行標誌出來,此函式就相當於中斷服務函式,需要在定時器的中斷服務函式中呼叫此函式,這裡獨立出來,並於移植和理解。
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;           // 任務可以執行
            }
        }
   }
}
大家認真對比一下次函式,和上面定時複用的函式是不是一樣的呢?


3. 任務處理:
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();         // 執行任務
             TaskComps[i].Run = 0;          // 標誌清0
        }
    }   
}


此函式就是判斷什麼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()函式中呼叫此函式就可以了,並不需要去分別呼叫和處理任務函式。


到此,一個時間片輪詢應用程式的架構就建好了,大家看看是不是非常簡單呢?此架構只需要兩個函式,一個結構體,為了應用方面下面將再建立一個列舉型變數。


下面就說說怎樣應用吧,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數:


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
     // 這裡新增你的任務。。。。
};
在定義變數時,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順序等都有關係,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引數抖動,而我們知道一般按鍵的抖動大概是20ms,那麼我們在順序執行的函式中一般是延伸20ms,而這裡我們每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介面,我們這裡設計每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式名,你必須在應用程式中編寫這函式名稱和這三個一樣的任務。


2. 任務列表:
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
     // 這裡新增你的任務。。。。
     TASKS_MAX                                           // 總的可供分配的定時任務數目
} TASK_LIST;
好好看看,我們這裡定義這個任務清單的目的其實就是引數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係而已。


3. 編寫任務函式:
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)
{


}
// 這裡新增其他任務。。。。。。。。。


現在你就可以根據自己的需要編寫任務了。


4. 主函式:
代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName   : main()
* Description    : 主函式
* 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式的架構就完成了,你只需要在我們提示的地方新增你自己的任務函式就可以了。是不是很簡單啊,有沒有點作業系統的感覺在裡面?


不防試試把,看看任務之間是不是相互並不干擾?並行執行呢?當然重要的是,還需要,注意任務之間進行資料傳遞時,需要採用全域性變數,除此之外還需要注意劃分任務以及任務的執行時間,在編寫任務時,儘量讓任務儘快執行完成。。。。。。。。


三、作業系統
作業系統的本身是一個比較複雜的東西,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式”。但是真正能使用作業系統的人並不多,不僅是因為系統的使用本身很複雜,而且還需要購買許可證(ucos也不例外,如果商用的話)。


這裡本人並不想過多的介紹作業系統本身,因為不是一兩句話能過說明白的,下面列出UCOS下編寫應該程式的模型。大家可以對比一下,這三種方式下的各自的優缺點。


代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName   : main()
* Description    : 主函式
* EntryParameter : None
* ReturnValue    : None
**************************************************************************************/
int main(void) 

    OSInit();                // 初始化uCOS-II
    OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart,        // 任務指標
                (void   *) 0,            // 引數
                (OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆疊指標
                (INT8U   ) TASK_START_PRIO);        // 任務優先順序
    OSStart();                                       // 啟動多工環境


    return (0); 
}


代 碼
/**************************************************************************************
* FunctionName   : TaskStart()          
* Description    : 任務建立,只建立任務,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,               // 不帶引數
                (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1],  // 堆疊指標
                (INT8U   ) TASK_LED_PRIO);         // 優先順序
// 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,也有作業系統的優點。結構清晰,簡單,非常容易理解。