一文搞懂单片机应用程序架构

 

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，本人觉得架构是非常必要的。前不就发帖与大家一起讨论了一下怎样架构你的单片机程序，发现真正使用架构的并不都，而且这类书籍基本没有。

 

本人经过摸索实验并总结，大致应用程序的架构有三种：

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。

下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。

1

顺序执行法：

 

这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然能够实现功能，但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。

这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。

下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : main()
3. * Description : 主函数
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. int main(void)
8. {
9. uint8 keyValue;
10. InitSys(); // 初始化
11. while (1)
12. {
13. TaskDisplayClock();
14. keyValue = TaskKeySan();
15. switch (keyValue)
16. {
17. case x: TaskDispStatus(); break;
18. ...
19. default: break;
20. }
21. }
22. }

复制代码

2

时间片轮询法

 

时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。

对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有一定的借鉴性。

记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，由于时间的问题，并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。

使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：

1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。

2. 定义一个数值：

1. #define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。
2. uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
3. uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。

复制代码

3. 在定时器中断服务函数中添加：

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TimerInterrupt()
3. * Description : 定时中断服务函数
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TimerInterrupt(void)
8. {
9. uint8 i;
10. for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
11. {
12. if (TaskCount[i])
13. {
14. TaskCount[i]--;
15. if (TaskCount[i] == 0)
16. {
17. TaskMark[i] = 0x01;
18. }
19. }
20. }
21. }

复制代码

代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。

4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：

1. TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
2. TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器

复制代码

到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。

通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。

循环判断标志位：

那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。

执行其他函数：

那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。

时间片轮询法的架构：

1.设计一个结构体：

1. // 任务结构
2. typedef struct _TASK_COMPONENTS
3. {
4. uint8 Run; // 程序运行标记：0-不运行，1运行
5. uint8 Timer; // 计时器
6. uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
7. void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
8. } TASK_COMPONENTS; // 任务定义

复制代码

这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。

2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskRemarks()
3. * Description : 任务标志处理
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskRemarks(void)
8. {
9. uint8 i;
10. for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
11. {
12. if (TaskComps[i].Timer) // 时间不为0
13. {
14. TaskComps[i].Timer--; // 减去一个节拍
15. if (TaskComps[i].Timer == 0) // 时间减完了
16. {
17. TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢复计时器值，从新下一次
18. TaskComps[i].Run = 1; // 任务可以运行
19. }
20. }
21. }
22. }

复制代码

大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？

3. 任务处理

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskProcess()
3. * Description : 任务处理
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskProcess(void)
8. {
9. uint8 i;
10. for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
11. {
12. if (TaskComps[i].Run) // 时间不为0
13. {
14. TaskComps[i].TaskHook(); // 运行任务
15. TaskComps[i].Run = 0; // 标志清0
16. }
17. }
18. }

复制代码

此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。

到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。

下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。

1. 定义一个上面定义的那种结构体变量

1. /**************************************************************************************
2. * Variable definition
3. **************************************************************************************/
4. static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
5. {
6. {0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
7. {0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
8. {0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工作状态
9. // 这里添加你的任务。。。。
10. };

复制代码

在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。

①大概意思是，我们有三个任务，没1s执行以下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。

②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。

③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。

2. 任务列表

1. // 任务清单
2. typedef enum _TASK_LIST
3. {
4. TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
5. TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
6. TASK_DISP_WS, // 工作状态显示
7. // 这里添加你的任务。。。。
8. TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
9. } TASK_LIST;

复制代码

好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。

3. 编写任务函数

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskDisplayClock()
3. * Description : 显示任务
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskDisplayClock(void)
8. {
9. }
10. /**************************************************************************************
11. * FunctionName : TaskKeySan()
12. * Description : 扫描任务
13. * EntryParameter : None
14. * ReturnValue : None
15. **************************************************************************************/
16. void TaskKeySan(void)
17. {
18. }
19. /**************************************************************************************
20. * FunctionName : TaskDispStatus()
21. * Description : 工作状态显示
22. * EntryParameter : None
23. * ReturnValue : None
24. **************************************************************************************/
25. void TaskDispStatus(void)
26. {
27. }
28. // 这里添加其他任务。

复制代码

现在你就可以根据自己的需要编写任务了。

4. 主函数

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : main()
3. * Description : 主函数
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. int main(void)
8. {
9. InitSys(); // 初始化
10. while (1)
11. {
12. TaskProcess(); // 任务处理
13. }
14. }

复制代码

到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？

不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。

3

操作系统：

 

操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理，执行本事并不需要我们去了解。但是光是移植都是一件非常困难的是，虽然有人说过“你如果使用过系统，将不会在去使用前后台程序”。但是真正能使用操作系统的人并不多，不仅是因为系统的使用本身很复杂，而且还需要购买许可证（ucos也不例外，如果商用的话）。

这里本人并不想过多的介绍操作系统本身，因为不是一两句话能过说明白的，下面列出UCOS下编写应该程序的模型。大家可以对比一下，这三种方式下的各自的优缺点。

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : main()
3. * Description : 主函数
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. int main(void)
8. {
9. OSInit(); // 初始化uCOS-II
10. OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart, // 任务指针
11. (void *) 0, // 参数
12. (OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
13. (INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任务优先级
14. OSStart(); // 启动多任务环境
15.  
16. return (0);
17. }

复制代码

1. /**************************************************************************************
2. * FunctionName : TaskStart()
3. * Description : 任务创建，只创建任务，不完成其他工作
4. * EntryParameter : None
5. * ReturnValue : None
6. **************************************************************************************/
7. void TaskStart(void* p_arg)
8. {
9. OS_CPU_SysTickInit(); // Initialize the SysTick.
10. #if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
11. OSStatInit(); // 这东西可以测量CPU使用量
12. #endif
13. OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任务1
14. (void *) 0, // 不带参数
15. (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
16. (INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 优先级
17. // Here the task of creating your
18.  
19. while (1)
20. {
21. OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
22. }
23. }

复制代码

 

不难看出，时间片轮询法优势还是比较大的，即由顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解。