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新手必看之单片机的编程架构

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在大家初学编程的时候,总会读一些程序,可是读完程序之后,只能看明白一小部分的程序。有时候会摸不着头脑。下面我就给大家说说编程的架构。了解了程序的架构,在读起来程序就轻松多了。其实架构就是程序的编程思路。
工作中经过摸索实验,总结出单片机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。
一、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,方便和下面两种方法对比:
int main(void)
{
uint8 keyValue;   
TaskDisplayClock();
TaskKeySan();     
  while (1)
    {
        TaskDisplayClock();
        keyValue = TaskKeySan();
        switch (keyValue)
       {
            case x: TaskDispStatus();
                  break;
            ......
                default: break;
        }
    }
二、时间轮询法
时间轮询法,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这种模式,并参考别人的代码建立的一个时间轮询架构程序的方法,我想将给初学者有一定的借鉴性。
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. 定义一个数值代 码:
#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。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ;           //  这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
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。
3. 在定时器中断服务函数中添加代 码:
void TimerInterrupt(void)
{
    uint8 i;
    for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
    {
        if (TaskCount)
        {
              TaskCount--;
              if (TaskCount == 0)
              {
                    TaskMark = 0x01;
              }
        }
   }
}
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为例代码:
TaskCount[0] = 20;       // 延时20ms
TaskMark[0]  = 0x00;     // 启动此任务的定时器
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。
时间轮询法的架构:
设计一个结构体代 码:
// 任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
    uint8 Run;                 // 程序运行标记:0-不运行,1运行
    uint8 Timer;              // 计时器
    uint8 ItvTime;              // 任务运行间隔时间
    void (*TaskHook)(void);    // 要运行的任务函数
} TASK_COMPONENTS;       // 任务定义
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。
void TaskRemarks(void)
{
   uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)          // 逐个任务时间处理
   {
        if (TaskComps.Timer)          // 时间不为0
       {
           TaskComps.Timer--;         // 减去一个节拍
           if (TaskComps.Timer == 0)       // 时间减完了
           {
                TaskComps.Timer = TaskComps.ItvTime;  // 恢复计时器值,从新下一次
                TaskComps.Run = 1;           // 任务可以运行
           }
       }
  }
}
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. 任务处理代码:
void TaskProcess(void)
{
    uint8 i;   
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++)           // 逐个任务时间处理
    {
         if (TaskComps.Run)           // 时间不为0
        {
             TaskComps.TaskHook();         // 运行任务
             TaskComps.Run = 0;          // 标志清0
        }
    }   
}
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代码:
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
    {0, 60, 60, TaskDisplayClock},            // 显示时钟
    {0, 20, 20, TaskKeySan},                 // 按键扫描
    {0, 30, 30, TaskDispStatus},            // 显示工作状态   
    // 这里添加你的任务。。。。
};
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.任务列表代码:
// 任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
    TAST_DISP_CLOCK,            // 显示时钟
    TAST_KEY_SAN,             // 按键扫描
    TASK_DISP_WS,             // 工作状态显示
     // 这里添加你的任务。。。。
     TASKS_MAX         // 总的可供分配的定时任务数目
} TASK_LIST;
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。
编写任务函数代码:
void TaskDisplayClock(void)
{
}
void TaskKeySan(void)
{
}
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 这里添加其他任务。。。。。。。。。
现在你就可以根据自己的需要编写任务了。
4. 主函数代码:
int main(void)
{
   InitSys();                  // 初始化
while (1)
   {
       TaskProcess();             // 任务处理
   }
}
到此我们的时间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。
三、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。
int main(void)
{
    OSInit();                // 初始化uCOS-II   
    OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart,        // 任务指针
    (void   *) 0,            // 参数
    (OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
    (INT8U   ) TASK_START_PRIO);        // 任务优先级   
     OSStart();   // 启动多任务环境                                    
    return (0);
}

void TaskStart(void* p_arg)
{
    OS_CPU_SysTickInit(); // Initialize the SysTick.#if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
    OSStatInit();        // 这东西可以测量CPU使用量
    #endif OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed,     // 任务1
                (void   *) 0,   // 不带参数
                (OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1],  // 堆栈指针
                (INT8U   ) TASK_LED_PRIO); // Here thetaskofcreatingyour            
    while (1)
    {
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
    }
}
不难看出,时间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。
以上就是把编程的架构和大家说明了。
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