嵌入式軟件開發(fā)常用的3種架構(gòu)
摘要：對于單片機(jī)程序來說，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、簡單的前后臺順序執(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，代碼簡單，或者對系統(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別的延時(shí)等待。
優(yōu)點(diǎn)：對于初學(xué)者來說，這是最容易也是最直觀的程序架構(gòu)，邏輯簡單明了，適用于邏輯簡單，復(fù)雜度比較低的軟件開發(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)。
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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，沒有解決?，F(xiàn)在再看，其實(shí)很多問題，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)中的毫秒級別延時(shí)對系統(tǒng)運(yùn)行沒有多大影響，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)：
int main(void)
{
?u8 temperature; ? ? ?
?u8 humidity; ?
int a;
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
void TIM3_IRQHandler(void)//TIM3中斷
{
int i;
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發(fā)者更上一層樓，在嵌入式軟件開發(fā)過程中，若遇到以下幾點(diǎn)，那么該設(shè)計(jì)方案可以說是最優(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)需要完全沒有必要上操作系統(tǒng)。
任務(wù)函數(shù)無需時(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，但中斷過于頻繁效率就低，中斷太長，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1ms（能通過程序優(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(通過這種通過SPI/IIC等接口的方式耗時(shí)大約在 1~10ms，甚至更長，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，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，分別針對無函數(shù)指針概念的朋友和想進(jìn)一步學(xué)習(xí)的朋友。
1、無函數(shù)指針的設(shè)計(jì)方式
/** ?* @brief ? ? ?主函數(shù). ?* @param ? ? ?None. ?* @return ? ? None. ?*/int main(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). ?* @param ? ? ?None. ?* @return ? ? None. ?*/void TIM3_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.
?*/
typedef struct{
? ?uint8 m_runFlag; ? ? ? ? ? ? ? ? /*!< 程序運(yùn)行標(biāo)記：0-不運(yùn)行，1運(yùn)行 */
? ?uint16 m_timer; ? ? ? ? ? ? ? ? ?/*!< 計(jì)時(shí)器 */
? ?uint16 m_itvTime; ? ? ? ? ? ? ? ?/*!< 任務(wù)運(yùn)行間隔時(shí)間 */
? ?void (*m_pTaskHook)(void); ? ? ? /*!< 要運(yùn)行的任務(wù)函數(shù) */
} TASK_InfoType;
#define TASKS_MAX ? ? 5 ? ? ? ? ? ? ?// 定義任務(wù)數(shù)目
/** 任務(wù)函數(shù)相關(guān)信息 */
static TASK_InfoType sg_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
?* @param ? ? ?None.
?* @return ? ? None.
?*/
void TASK_Remarks(void)
{
? ?uint8 i;
? ?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 ? ? ?任務(wù)函數(shù)運(yùn)行處理.
?* @note ? ? ? 該函數(shù)由主循環(huán)調(diào)用
?* @param ? ? ?None.
?* @return ? ? None.
?*/
void TASK_Process(void)
{
? ?uint8 i;
? ?for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++)
? ?{
? ? ? ?if (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).
?* @param ? ? ?None.
?* @return ? ? None.
?*/
int main(void)
{
? ?System_Init(); ? ?
? ?while (1)
? ?{
? ? ? ?TASK_Process();
? ?}
}
/**
?* @brief ? ? ?定時(shí)器3中斷服務(wù)函數(shù).
?* @param ? ? ?None.
?* @return ? ? None.
?*/
void TIM3_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，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域，而對于單片機(jī)來說，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)行方面來說，操作系統(tǒng)對每個(gè)任務(wù)的耗時(shí)沒有過多的要求，需要通過設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，在高優(yōu)先級的任務(wù)就緒時(shí)，會(huì)搶占低優(yōu)先級的任務(wù)；操作系統(tǒng)相對復(fù)雜，因此這里沒有詳細(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)上一張對比圖：
四、總結(jié)
從上述的對比中可以看出，時(shí)間片輪詢法的優(yōu)勢還是比較大的，它既有前后臺順序執(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。
