嵌入式软件开发之程序架构(一)

 

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前言：

该内容是工作一年来通过上网或其他方式不断搜索、实践、总结出来的嵌入式软件开发经验（本文仅适用于单片机的裸机开发），希望能帮到正在学习这方面的朋友，如有不好的地方，请多多见谅。

在嵌入式软件开发过程中，程序架构的搭建尤为重要，下面介绍三种常用的程序框架设计方案：

前后台顺序执行法、时间片论法、操作系统

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1、前后台顺序执行法：

这是初学者们常用的程序框架设计方案，不用考虑太多东西，代码简单，或者对系统的整体实时性和并发性要求不高；初始化后通过while(1){ }或for(;;){ }循环不断调用自己编写完成的函数，也基本不考虑每个函数执行所需要的时间，大部分情况下函数中或多或少都存在毫秒级别的延时等待。

优点：对于初学者来说，这是最容易也是最直观的程序架构，逻辑简单明了，适用于逻辑简单，复杂度比较低的软件开发。

缺点：实时性低，由于每个函数或多或少存在毫秒级别的延时，即使是1ms，也会造成其他函数间隔执行时间的不同，虽然可通过定时器中断的方式，但是前提是中断执行函数花的时间必须短。当程序逻辑复杂度提升时，会导致后来维护人员的大脑混乱，很难理清楚该程序的运行状态。

以下是我在学校期间做的寝室防盗系统的部分代码（当时也存在部分BUG，没有解决。现在再看，其实很多问题，而且比较严重，比如中断服务函数内竟然有3000ms延时，这太可怕了，还有串口发送等等；由于实时性要求不算太高，因此主函数中的毫秒级别延时对系统运行没有多大影响，当然除BUG外；若是后期需要维护，那就是一个大工程，还不如推翻重写）：

 int main(void)
 {	
    u8 temperature;  	    
    u8 humidity;   
	int a;
	delay_init();
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
//	 I2c_init(); 
	uart2_Init(9600);
	uart_init(9600);	 //串口初始化为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();					//读取ds1302的日期时间
		shi=At24c02Read(0);				//读取闹钟保存的数据
		delay_ms(10);
		fen=At24c02Read(1);				//读取闹钟保存的数据			
		usart2_scan();						//蓝牙数据扫描
		usart2_bian();						//蓝牙处理数据
		usart2_gai();
		nao_scan();
		k++;
		if(k<20)
		{
			if(k==1)
				LcdWriteCom(0x01);  //清屏
				LcdDisplay();							//显示日期时间

		}
		if(RED==0)
			RED_Scan();

				
		if(k>=20&&k<30)
		{
			if(k==20)
				LcdWriteCom(0x01);  //清屏
			Lcddisplay();							//显示温湿度
			LcdWriteCom(0x80+6);	
			DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);	//读取温湿度值	
			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();								//显示防盗闹钟状态

	}		
}


//定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{
	int i;
	if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
	{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 
		if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0)				//时间一到闹钟响起
		{
				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发送数据
				while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束
				USART_RX_STA=0;	
			}	
			delay_ms(3000);
			for(i=0;i<3;i++)
			{
				USART_SendData(USART1, num1[i]);//向串口1发送数据
				while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束
				USART_RX_STA=0;	
			}			
		}
	}
}

2、时间片论法：

介于“前后台顺序执行法”和“操作系统”之间的一种程序架构设计方案。该设计方案需能帮助嵌入式软件开发者更上一层楼，在嵌入式软件开发过程中，若遇到以下几点，那么该设计方案可以说是最优选择，适用于程序较复杂的嵌入式系统；

a. 没有必要上操作系统

b. 任务函数无需时刻执行，存在间隔时间（比如按键，一般情况下，都需要软件防抖，初学者的做法通常是延时10ms左右再去判断，但10ms极大浪费了CPU的资源，在这段时间内CPU完全可以处理很多其他事情）

c. 实时性有一定的要求

该设计方案需要使用一个定时器，一般情况下定时1ms即可（定时时间可随意定，但中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差），因此需要考虑到每个任务函数的执行时间，建议不能超过1ms（能通过程序优化缩短执行时间则最好优化），这就要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时，。

以下介绍两种不同的实现方案，分别针对没有函数指针概念的朋友和想进一步学习的朋友。

/*****************************************************************************
                      第一种设计方案

*****************************************************************************/

/**
  * @brief      主函数.
  * @param      None.
  * @return     None.
  */
int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        
        if (TIM_1msFlag)                            // 1ms
        {
            CAN_CommTask();                         // CAN发送/接收通信任务
            
            TIM_1msFlag = 0;
        }
        
        if (TIM_10msFlag)                           // 10ms
        {
            KEY_ScanTask();                         // 按键扫描处理任务
            
            TIM_10msFlag = 0;
        }
        
        if (TIM_20msFlag)                           // 20ms
        {
            LOGIC_HandleTask();                     // 逻辑处理任务

            TIM_20msFlag = 0;
        }
        
        if (TIM_100msFlag)                          // 100ms
        { 
            LED_CtrlTask();                         // 指示灯控制任务
            
            TIM_100msFlag = 0;
        }    
        
        if (TIM_500msFlag)                          // 500ms
        {
            TIM_500msFlag = 0;
        }    
        
        if (TIM_1secFlag)                           // 1s
        {
            WDog_Task();                            // 喂狗任务
            
            TIM_1secFlag = 0;
        }  
    }
}

/**
  * @brief      定时器3中断服务函数.
  * @param      None.
  * @return     None.
  */
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) // 溢出中断
    {
        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);  // 清除中断标志位
}



/*****************************************************************************
                      第二种设计方案

*****************************************************************************/

/**
  * @brief 任务函数相关信息结构体定义.
  */
typedef struct{
    uint8 m_runFlag;                 /*!< 程序运行标记：0-不运行，1运行 */
    uint16 m_timer;                  /*!< 计时器 */
    uint16 m_itvTime;                /*!< 任务运行间隔时间 */
    void (*m_pTaskHook)(void);       /*!< 要运行的任务函数 */
} TASK_InfoType; 

#define TASKS_MAX     5              // 定义任务数目

/** 任务函数相关信息 */
static TASK_InfoType sg_tTaskInfo[TASKS_MAX] = {
    {0, 1, 1, CAN_CommTask},         // CAN通信任务
    {0, 10, 10, KEY_ScanTask},       // 按键扫描任务
    {0, 20, 20, LOGIC_HandleTask},   // 逻辑处理任务
    {0, 100, 100, LED_CtrlTask},     // 指示灯控制任务
    {0, 1000, 1000, WDog_Task},      // 喂狗任务
};


/**
  * @brief      任务函数运行标志处理.
  * @note       该函数由1ms定时器中断调用
  * @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      任务函数运行处理.
  * @note       该函数由主循环调用
  * @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();         // 运行任务
             sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 0;         // 标志清0
        }
    }   
}

/**
  * @brief      主函数.
  * @param      None.
  * @return     None.
  */
int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        TASK_Process();
    }
}

/**
  * @brief      定时器3中断服务函数.
  * @param      None.
  * @return     None.
  */
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) // 溢出中断
    {
        TASK_Remarks();
    }
    
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);     // 清除中断标志位
}

 

3、操作系统：

       嵌入式操作系统EOS(Embedded OperatingSystem)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。常见的嵌入式操作系统有wince、PALM OS、linux、Android、FreeRTOS。

参考内容：

浅谈单片机应用程序架构  ： http://bbs.eeworld.com.cn/thread-311494-1-1.html