【RTOS训练营】继续程序框架、tick中断补充、预习、课后作业和晚课提问
一：程序框架
1.1 调用关系
我们先来看看各层函数的调用关系。
函数的调用关系，可以从单元测试的代码去看。
如下图是第一步：
首先加入输入设备，即把设备放入链表：
然后是初始化，即把链表中的每个设备，都调用它的初始化函数。
大家的疑问可能在于设备的初始化：
我们去构造这个输入设备的时候，就给他提供了一个函数，
这个函数的目的是用来初始化硬件，就比如说设置中断。
为什么要写的那么复杂呢？
我把这个函数调用关系给列出来：
GPIOKeyInit
KAL_GPIOKkeyInit
CAL_GPIOKkeyInit
KEY_GPIO_ReInit
这段过程有4个函数，之所以引入那么多函数，是因为：
- 想支持裸机、支持FreeRTOS、支持RT-Thread
- 想支持HAL库，也支持非HAL库
这里的第1点，怎么去支持那么多操作系统？
我们把代码给大家完善一下：
KAL：Kernel Abstrace Layer（内核抽象层）
上面的代码，使用宏开关：要么再用裸机的代码，要么调用rt-thread的代码，要么调用Linux的代码。
如果不想让程序能够支持裸机、支持各类RTOS的话，完全可以把Kal这一层去掉。
通过创建配置文件(头文件)，假设为config.h，
C文件就包含它：#include ，里面就定义：
#define CONFIG_PLATFORM_NOOS 1
这样就支持裸机。
1.2 设备管理
再讲一下管理设备，假设有三个输入设备，都要调用他们的初始化函数：
我们可以一个一个的去手工调用，也可以一次性的调用他们的初始化函数。
怎么一次性的调用？首先得一次性的找到他们，所以我们把它放在一个链表里。
通过注册，将他们放在一个链表里：
假设我们有三个设备：
- gpio_key.c ： InputDeviceRegister(&g_tKeyDevice);
- uart.c ： InputDeviceRegister(&g_tUARTDevice);
- net.c ： InputDeviceRegister(&g_tNETDevice);
这三个输入设备里面，都应该调用这个注册函数，现在用了一种取巧的办法。
我在input_system.c里，调用gpio_key.c的函数，去注册一个输入设备：
A文件调用B文件的函数，B文件调用A文件的函数，这种写法是不好的。
一般来说就这样做的，我们再写出第3个文件，
互相引用的话，这关系就交叉了，目前还是希望依赖关系比较简单清晰一点。
我们继续讲怎么管理这些设备：
1.放入链表
2.初始化的时候，从列表里把它们拿出来，一个一个初始化
再举一个例子：
问题就在于谁去调用这个函数AddInputDeviceGPIOKey ?
我在第3个文件里去调用，比如主函数调用就可以了: main() > AddInputDeviceGPIOKey
1.3 三种程序框架
我们今天要把输入子系统吃透，
现在回过头来给先给大家讲一下整体框架，单片机程序的3种写法：
这种写法是我们刚接触单片机时最最经常用到的。
第1种写法的缺点是什么？ ABCD互相影响。
A执行时间久了就会影响到后续的函数，B执行久了也会影响到其他的函数，使用这种方法写出来的程序，这ABCD要尽快执行。
下面是第2种写法：
就是所谓的前台后台。
main里面有个死循环，他在等待数据，得到数据之后就处理。
数据哪来的呀？来自于中断
当你按下按键之后，会产生硬件中断，程序会暂停main函数的执行，
跳去执行中断函数，在中断函数里面，他把数据放入某个缓冲区。
处理完中断之后，main函数继续执行，再次执行循环的时候，就得到了数据，就可以去做某些事情了。
第2种写法是我们当前的项目采用的，第2种写法的缺点是什么？
有三个缺点：
-
中断函数做的事情太多了，当前中断正在执行的时候，其他中断就被卡住，影响实时性
-
在没有数据的时候，main函数也在全速运行：功耗高
-
main要做很多事情的时候，又回退到前面的那种方式了：大家互相影响
我们讲完项目一之后，就会讲FreeRTOS：
使用多任务，程序就会非常方便，这个以后再讲。
1.4 数据流向
先回到我们的主题，对于输入系统，我们使用的是前后台的框架。
在发生按键中断时，就会产生数据，就执行打印操作。
我去分析一个程序的时候，我喜欢分析它的数据流向。
这个环形缓冲区大部分时间都是空的，谁往里面放数据呢？
以按键中断为例，我们按一下按键，会触发中断，会导致gpio的中断函数被调用。
中断函数把数据放入环形缓冲区，就完事了。
1.5 代码原则
再讲一下编写程序，编写函数的一些原则。
我们写C程序时有头文件、有C文件。
头文件的作用是什么？ 暴露接口
C文件的作用是什么？内部实现
来看看我写的代码：
不想暴露给别人使用的函数, 就是static函数。
就没有必要放在头文件里面。
头文件的作用是暴露接口,你跟同事之间的交流,就是通过头文件来交流。
同事一看你的头文件,就知道怎么去使用你的代码。
全局变量不要暴露出去，对于全局变量，绝对不建议在头文件里面声明。
举一个例子：
对于全局变量__IO uinit32_t uwTick;，
什么我们都不直接使用它？非要用一个函数?
我们假设有abcdefg等，10个文件去用到这个变量。
哪一天你说这个变量它的含义我要改改，它是值要乘以2，就要改10个文件吧。
如果我用一个函数，我只需要去改这个函数即可。
这个图是我总结的一些程序设计的原则：
二：其它补充
tick中断很重要，我给大家讲讲。
对于一个嵌入式系统，他的时间基准是什么？
程序一开始运行的时候：他就会去设置一个硬件定时器，比如说设置成一毫秒产生一次中断，这叫Tick中断。
这个中断的处理函数很简单:
他只是去累加一个全局整数，这个全局整数，就是整个系统的时间基准。
对于cortex M3、M4，在CPU内部，有一个定时器： systick。
使用它，是为了增加系统的可移植性，有些芯片上面可能没有timer1、timer5，但是都有systick。
所以很多rtos甚至Linux都是使用CPU自带的这个定时器。
三：预习安排
10-8_设备系统_设计思路
10-9_设备系统_实现LED设备
10-10_设备系统_单元测试
四：课后作业
- 作业1
10_6_input_unittest 中实现了按键功能，但是不能消除按键抖动。
请改进，使用定时器实现消除抖动。
- 思路：
在GPIO中断里启动"软件定时器"，可以自己实现"软件定时器"
在"软件定时器"被触发后，在根据GPIO电平构造InputEvent、放入环形缓冲区 - 请思考：
是否每个GPIO对应一个"软件定时器"？
以面向对象编程的思想，"软件定时器"放在哪里比较合适？ - 参考实现：
我们将会录制视频、编写源码，放在10_6_input_unittest_debouncing
- 作业2
如果有时间，可以参考10_8_device_led_unittest 实现一个"风扇设备"。
五. 晚课学员提问
1. 问： 按照我的理解，可以分为三层，系统层、KAL,CAL，每层一个开关，控制下面若干分支，这样理解对吗？
答： 这个图画得好，这个理解是对的。
2. 问： 老师，这个相当于头插法链表么？来一个输入设备，放在链表头部？
答： 是的，放在链表头部。
3.问： “中断函数做的事情太多了，当前中断正在执行的时候，其他中断就被卡住，影响实时性。”
对于rtos系统的话，中断处理的多的话，上面问题也会出现吗？
答： 会的，所以中断要尽快处理完毕，很多中断程序只是通知一下任务。
4. 问： 中断的按键，跟用定时器扫描的按键哪个好？
答： 使用定时器扫描，是因为没有中断，能用中断就优先使用中断，发生了中断之后，我们可以使用定时器来消除抖动。
对于按键，有些芯片它的引脚非常缺乏，就比如说以前我们用过51单片机，就使用到了行列扫描的方法来做键盘：
这个图比较简陋，你看他有16个按键，但是只产生4个中断。
5. 问： 像开发板上都有4-5个按键，都是配置中断么？
答： 你的问题就在于，你是不是每一个按键都对应一个中断引脚？
是的话，每一个按键都有一个中断服务程序，当然可以共用同一套代码。
6. 问： 我查资料有说按键中断太多，会造成系统不稳定，也推荐用ringbuffer？
答： 中断很多，使用环形缓冲区，是为了防止按键丢失。
7. 问： 中断里的事情要快点干完，所以不应该在中断里delay？应该怎么消抖？
答： 我们可以使用定时器来消除抖动。
这个方法好像我以前介绍过，我现在再简单的讲一下原理，以前没有写过代码。
我们假设按一下这个按键，产生了三次中断，我们怎么使用定时器来消除中断呢？
在中断函数里面，去定个闹钟：
在第1次中断那里，10ms之后再来处理，
在第2次中断那里，这个时候重新推迟10ms，
在第3次中断那里，这个时候重新推迟10ms，
三次中断，连续的把时间往后推迟10ms，这个闹钟只会响一次。
这不就消除了抖动吗。
在GPIO中断里面，只是把闹钟的时间设置一下，非常快。
最后一次中断也只是去设置一下闹钟，在闹钟响的时候再去确定按键。
8. 问： 可以检测 按键的下降沿和上升沿 时间 的触发 时间差 来消抖吗？？
答： 理论上是可以的，但是用定时器是最简单的方法。
举个最简单的定时器消抖：
发生GPIO中断时，代码1根据中断引脚来记录当前时间。
在代码2（定时器中断）里，把前面记录的时间与此时时间进行比较，实现延时消抖。
9. 问： 使用定时器消抖，在实际项目中需要关注下时间溢出的情况吧？
答： 我们使用RTOS实现的定时器的话，他都考虑了这些。
我们来看看溢出的话需要多长时间：
在stm32里面，每1ms产生异常定时器中断，uwTick增加1，溢出需要49天，因此很多人都懒得管溢出。
10. 问： systick_handler每1MS调用一次吗？
答： 是的，这可以设置。
11. 问： 串口收到数据后，要立马放入putInput event里面吗？还是存入10个数据后再放入，或者其他方法？
答： 这里贴一下学员的代码：
我们使用串口的时候，怎么表示我的数据已经发送完毕？都会输入回车键。
所以我们开发板上接收到数据时，就要判断是不是接收到了：回车换行。
12. 问： 这个缓冲区buf，只支持一个应用去拿数据？假如我现在要获取按键值，那我在某个应用拿到数据之后，就要把相关的工作都做完，不然其他的应用是拿不到按键数据的。这个理解有问题吗？
答： 在我们第1个项目里，只用前台后台的框架，只有一个main函数在不断的运行。
main函数读取环形buff的数据，只有它一个人读取。
对于环形缓冲区，你当然可以让多个应用程序去读取，他并没有限定说只能够给一个人使用。
就像你使用电脑也是一样的呀，你有多个应用程序，但是能够接收输入的只有一个。
多个应用读取缓冲区不会冲突吗？会冲突，所以你得考虑好：怎么管理这些多个任务。
13. 问： 多个中断处理程序都写缓冲区，会不会搞乱数据呢？
答： 会的,所有的环形缓冲区要考虑互斥。
要保证，同一时间，只能够有一个人来操作读它，或者写它。
假设有两个人，可以一个去读，一个去写。但是，不能够两个人同时去读、同时去写。
我们可以加上一些保护的手段，比如说关中断，然后这样操作：
- 关中断
- 读/写
- 开中断
13. 问： 老师我想问一下，设备链表的链表头一般在哪里？是不是.h中生明一个全局变量？规范做法是什么？
答： 有的链表头，都是定义一个全局变量，加上static。
14. 问： 函数的extern是写在被调用的头文件中，还是调用的头文件中呢，还是说都可以？
答： 对于函数， 加上extern，完全是多此一举，你加、不加extern，它的作用域都是整个程序。
加上extern，只是起一个心理安慰作用：
a.c :
A()
{
}
在a.c里面实现了函数A，b.c想是使用函数A，怎么办？
常规的用法应该是：b.c #include 。
有时候懒得写头文件, 就在 b.c 里加上：extern void A();
只是为了告诉看代码的人,这个函数A, 是别人实现的。
实际上,你加不加extern都可以。
15. 问： SysTick是不是也是中断？是不是也不能做太多事情？
答： 是的，只是说建议不要做太多的事情，非要做一些很耗时的事情，那也没办法。
16. 问： 老师，缓冲区能抽象为一个通用的吗？比如从外部传参数进去，告诉缓冲区的数据成员大小，缓冲区长度。这样不是可以抽象出来了吗？
答： 你这个方法挺好，这就是FreeRTOS中的队列。从这个角度来说，可以统一。
17. 问： 关于缓冲区，假如收到的数据是不定长的数据，统一缓存到环形缓冲区。那么接收方应该怎么处理？应该怎么寻找边界？
答： 首先，环形缓冲区是一个数组，每一个数组项假设能够保存100个数据。
你可能在那个数组项里面，只放入了50个数据，这没关系，并不会影响到别的数组项。
环形缓冲区，大小是事先分配好的，你可能一下子发了1000个数据，超过了这个缓冲区，那就只能够丢弃。
对于环形缓冲区的写操作，他肯定要先判断一下，满的话就不能写。
18. 问： 缓冲区大小4096字节，足够大，不考虑溢出的问题。发送方通过串口发送了4次数据，第一次5字节，第二次64字节，第三次16字节，第4次8字节。
接收方的解析函数，看到环形缓冲区内一共有了93字节的内容。那么缓冲区怎么区分每次接收数据的边界？怎么知道那些数据是一组？
答： 不区分边界： 第1次收到5字节数据，那就写5次环形缓冲区；第2次收到64字节数据，那就写64次环形缓冲区……
怎么处理这些数据的边界？那是读数据的应用程序做的。
比如说，它连续读缓冲区，读到回车换行，就知道得到了一个完整的字符串。
如果是不定长的随机数据，你必定有一定的格式：比如第1个字节就必须放长度。
两边不约定好的话，谁都没有办法区分边界。