嵌入式分享合集33

一、RTOS

很多STM32单片机初学者都是从裸机开始的，裸机确实也能开发出好的产品。但是，作为一个嵌入式软件工程师，况且用的并不是51那种低端单片机，如果只会用裸机开发产品，那肯定是不够的。

    要从裸机的思维转变到RTOS（Real Time Operating System）的思维，其实需要一个过程，而且开始的一段时间会很痛苦。但过一段时间理解了一些内容，能写一些Demo之后，你会发现其实RTOS也不难。

    现在FreeRTOS在CubeMX工具中可以直接配置并使用，相当方便

为什么需要RTOS

    为什么我们需要RTOS？就像最开始学C编程时，老师告诉我们，指针很重要，那时你肯定有一个大的疑问，指针到底有什么好？

    心里一直犯嘀咕着：不用指针不一样把程序编出来了？ 现在想想看C语言没了指针，是不是“寸步难行”呢？

    回到正题，我们到底为什么需要RTOS？。

     一般的简单的嵌入式设备的编程思路是下面这样的：

    这是最常见的一种思路，对于简单的系统当然是够用了，但这样的系统实时性很差。

    比如“事务1”如果是一个用户输入的检测，当用户输入时，如果程序正在处理事务1下面的那些事务，那么这次用户输入将失效，用户的体验是“这个按键不灵敏，这个机器很慢”，而我们如果把事务放到中断里去处理，虽然改善了实时性但会导致另外一个问题，有可能会引发中断丢失，这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣！

    又比如事务2是一个只需要1s钟处理一次的任务，那么显然事务2会白白浪费CPU的时间。

改进思路

    看到上面裸机开发的局限了吗？  whaosoft aiot http://143ai.com

    这时，我们可能需要改进我们的编程思路，一般我们会尝试采用“时间片”的方式。这时候编程会变成下面的方式：

    可以看到，这种改进后的思路，使得事务的执行时间得到控制，事务只在自己的时间片到来后，才会去执行。但这种方式仍然不能彻底解决“实时性”的问题，因为某个事务的时间片到来后，也不能立即就执行，必须等到当前事务的时间片用完，并且后面的事务时间片没到来，才有机会获得“执行时间”。       

    这时候我们需要继续改进思路,为了使得某个事务的时间片到来后能立即执行，我们需要在时钟中断里判断完时间片后，改变程序的返回位置，让程序不返回到刚刚被打断的位置，而从最新获得了时间片的事务处开始执行，这样就彻底解决了事务的实时问题。    

    我们在这个思路上，进行改进，我们需要在每次进入时钟中断前，保存CPU的当前状态和当前事务用到的一些数据，然后我们进入时钟中断进行时间片处理，若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了，则我们改变中断的返回的地址，并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场，然后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

使用RTOS的好处

    上面那段话，对于初学者来说，可能有些不好理解。

    事实上，这是因为要实现这个过程是有些复杂和麻烦的，这时候我们就需要找一个操作系统(OS)帮我们做这些事了，如果你能自己用代码实现这个过程，事实上你就在自己写操作系统了。

    其实从这里也可也看出，操作系统的原理其实并不那么神秘，只是一些细节你很难做好。我们常见的RTOS基本都是这样的一个操作系统，它能帮你完成这些事情，而且是很优雅的帮你完成！

    事实上，RTOS的用处远不止帮你完成这个“事务时间片的处理”，它还能帮你处理各种超时，进行内存管理，完成任务间的通信等。

    有了RTOS，程序的层次也更加清晰，给系统添加功能也更方便，这一切在大型项目中越发的明显！

二、PID算法

了解了很浅的原理后，结果公式看不懂，不懂含义，所以最终没有透彻。我这里先对公式进行剖析，公式理解明白了，结合网上的一些PID讲述的例子，就明白了。

     先对PID这三个系数的含义进行简单扫盲。同时也防止自己遗忘。P是比例系数，I是积分系数、D是微分系数。

    下面对PID这三个系数进行详细说明。

比例系数P

    比例系数P是干什么用，其实如果现在你是初中生的话，你一下子就懂了，比例系数就是用在穿过（0,0）这个坐标点直线的放大倍数k，k越大，直线的斜率越大，所以是用在y = k * x中的，其中的k就是比例系数p，大家都简称为kp，所以就变成了y = Kp * x。

    x就是当前值currentValue和目标值totalValue的差值，简称误差err，则err = currentValue - totalValue。y就是执行器对应的输出值U，所以执行器对应的输出值U = Kp * ( currentValue - totalValue ) 。

    所以，如果说是使用比例进行调节。

    则当前第1次调节时执行器对应的输出值为：

U1 = Kp * ( curentValue1 - totalValue1 )

    第2次调节时执行器对应的输出值为：

U2 = Kp * ( currentValue2 - totalValue2 )

    这就是比例系数P的应用，也就是大家说的比例调节。比例调节就是根据当前的值与目标值的差值，乘以了一个Kp的系数，来得到一个输出值，这输出值直接影响了下次当前值的变化。如果只有比例调节的话，系统会震荡的比较厉害。比如你的汽车现在运行的速度是60km/h，现在你想通过你的执行器去控制这个汽车达到恒定的50km/h，如果你只用kp进行比例调节话。U = Kp * ( 60 - 50 )，假设Kp取值为1，此时得到U执行器的输出值是10，结果当你执行器输出后，发现汽车一下变成了35Km/h，此时U2 = Kp * （35 - 50）,此时得到U执行器的输出值是-15，结果当你执行器输出后，发现汽车变成了55Km/h，由于惯性和不可预知的误差因素，你的汽车始终无法达到恒定的50km/h。始终在晃动，相信如果你在车上，你一定吐的很厉害。所以光有比例系数进行调节，在有些场合是没有办法将系统调稳定的。所以可以为了减缓震荡的厉害，则会结合使用比例P和微分D。

微分系数D

    微分，实际上是对误差进行微分。加入误差1是err(1)。误差2是err(2)。则误差err的微分是 (err2 - err1)。乘上微分系数D，大家叫做KD，则当执行器第1次调节后有了第1次的误差，第2次调节后有了第2次的误差，则结合P系数。就有了PD结合，根据每次调节时，误差的值的经验推算，你就能选取出D的系数。假如误差是越来越小的，那么微分后肯定是一个负值。负值在乘以了一个D系数 加上了比例调节的值后肯定值要比单纯使用比例调节的值要小，所以就启到了阻尼的作用。有了阻尼的作用就会使得系统区域稳定。

    PD结合的公式经过上面的分析后为：

U(t) = Kp * err(t) + Kd * derr(t)/dt

积分系数I

    积分，实际上是对误差的积分，也就是误差的无限和。如何理解积分系数I，这里引用网上的例子

    以热水为例。假如有个人把我们的加热装置带到了非常冷的地方，开始烧水了。需要烧到50℃。

    在P的作用下，水温慢慢升高。直到升高到45℃时，他发现了一个不好的事情：天气太冷，水散热的速度，和P控制的加热的速度相等了。 
    这可怎么办？

    P兄这样想：我和目标已经很近了，只需要轻轻加热就可以了。 
    D兄这样想：加热和散热相等，温度没有波动，我好像不用调整什么。

    于是，水温永远地停留在45℃，永远到不了50℃。

    根据常识，我们知道，应该进一步增加加热的功率。可是增加多少该如何计算呢？ 
    前辈科学家们想到的方法是真的巧妙。

    设置一个积分量。只要偏差存在，就不断地对偏差进行积分（累加），并反应在调节力度上。

    这样一来，即使45℃和50℃相差不太大，但是随着时间的推移，只要没达到目标温度，这个积分量就不断增加。系统就会慢慢意识到：还没有到达目标温度，该增加功率啦！ 
    到了目标温度后，假设温度没有波动，积分值就不会再变动。这时，加热功率仍然等于散热功率。但是，温度是稳稳的50℃。 
    kI的值越大，积分时乘的系数就越大，积分效果越明显。

    所以，I的作用就是，减小静态情况下的误差，让受控物理量尽可能接近目标值。

    I在使用时还有个问题：需要设定积分限制。防止在刚开始加热时，就把积分量积得太大，难以控制。

三、理解C语言指针

计算机中所有的数据都必须放在内存中，不同类型的数据占用的字节数不一样，例如 int 占用4个字节，char 占用1个字节。为了正确地访问这些数据，必须为每个字节都编上号码，就像门牌号、身份证号一样，每个字节的编号是唯一的，根据编号可以准确地找到某个字节。

    下图是 4G 内存中每个字节的编号（以十六进制表示）：

    我们将内存中字节的编号称为地址（Address）或指针（Pointer）。地址从 0 开始依次增加，对于 32 位环境，程序能够使用的内存为 4GB，最小的地址为 0，最大的地址为 0XFFFFFFFF。

    下面的代码演示了如何输出一个地址：

    运行结果：

0X28FF3C, 0X28FF10

    %#X表示以十六进制形式输出，并附带前缀0X。a 是一个变量，用来存放整数，需要在前面加&来获得它的地址；str 本身就表示字符串的首地址，不需要加&。

一切都是地址

    C语言用变量来存储数据，用函数来定义一段可以重复使用的代码，它们最终都要放到内存中才能供 CPU 使用。

    数据和代码都以二进制的形式存储在内存中，计算机无法从格式上区分某块内存到底存储的是数据还是代码。当程序被加载到内存后，操作系统会给不同的内存块指定不同的权限，拥有读取和执行权限的内存块就是代码，而拥有读取和写入权限（也可能只有读取权限）的内存块就是数据。

    CPU 只能通过地址来取得内存中的代码和数据，程序在执行过程中会告知 CPU 要执行的代码以及要读写的数据的地址。如果程序不小心出错，或者开发者有意为之，在 CPU 要写入数据时给它一个代码区域的地址，就会发生内存访问错误。这种内存访问错误会被硬件和操作系统拦截，强制程序崩溃，程序员没有挽救的机会。

    CPU 访问内存时需要的是地址，而不是变量名和函数名！变量名和函数名只是地址的一种助记符，当源文件被编译和链接成可执行程序后，它们都会被替换成地址。编译和链接过程的一项重要任务就是找到这些名称所对应的地址。

    假设变量 a、b、c 在内存中的地址分别是 0X1000、0X2000、0X3000，那么加法运算c = a + b;将会被转换成类似下面的形式：

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

    ( )表示取值操作，整个表达式的意思是，取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值，将它们相加，把相加的结果赋值给地址为 0X3000 的内存。

    变量名和函数名为我们提供了方便，让我们在编写代码的过程中可以使用易于阅读和理解的英文字符串，不用直接面对二进制地址，那场景简直让人崩溃。

    需要注意的是，虽然变量名、函数名、字符串名和数组名在本质上是一样的，它们都是地址的助记符，但在编写代码的过程中，我们认为变量名表示的是数据本身，而函数名、字符串名和数组名表示的是代码块或数据块的首地址。

四、go和c语言通信

golang并没有类似ntohl（）、htonl（）等函数, 但是提供了binary.BigEndian binary.LittleEndian等模式

网络二进制数据转换： 总所周知，数据在tcp网络传输协议中传输的字节序是大端模式的，换句话说如果你要传输一个int32型的整数，那么假设其二进制小端模式表示为11111111111111110000000000000000那么其大端模式表示为00000000000000001111111111111111，利用c语言的htonl函数会将数据字节序转换成大端模式，在网络上面传输，接收端想解出原始数据只需要认为发送来的数据是大端模式，按照大端模式表示的数据解析便可 举个例子： 在C语言端发送一个int32_t数据过程如下： 发送端（c语言）

char buf[100];  

int32_t x = 100;  

((int*)buf)[0] = htonl(x);  

send(clientfd, buf, 100, 0);  

接收端（golang）

var num int32  

buffer := make([]byte, 4)                                                                    

length, err := conn.Read(buffer)  

if err != nil {  

      return  

}  

buf := bytes.NewReader(buffer)  

err = binary.Read(buf, binary.BigEndian, &num)