嵌入式系统程序架构的进化

实用的嵌入式系统我们一般采用分层的架构，可以分成3层（硬件层、驱动层和应用层）或4层（硬件层、驱动层、操作系统层和应用层），这在例解嵌入式系统分层结构已有分析，但是应用程序本身是非常复杂的，尤其是可能涉及到各种人机交互、机机交互的问题，使得系统更加复杂，所以对系统程序的架构做进一步的分析是很有必要的。

下面的分析我们都假定系统在大的层次上分为3层，设备驱动已准备好，下面的代码为伪代码，看懂程序结构即可。

1.无交互，少量任务

例：流水灯

/*exe-1*/
#include"config.h"
int main(void){
  unsigned char i=0;
  //
  leds_init();
  //
  while(1){
    for(i=0；i<8;i++){
      leds_on(i);
      delay(1000);
      leds_off();
    }
 
  }
  return 0;
}

2.有少量交互，少量任务

例：按键控制数码管，数码管显示按下的按键名称1、2、3

1）采用查询方式

/*exe-2*/
#include "config.h"
int main(){
  unsigned char key=0;
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  //主循环
  while(1){
    key=getKey();
    switch(key){
      case 1:segment_off();segment_on(0,1);break;
      case 2:segment_off();segment_on(0,2);break;
      case 3:segment_off();segment_on(0,3);break;
      default::segment_off();segment_on(0,_OFF_);break;
    }
    delay(100);
}

2）采用中断方式

按键触发外部中断，在中断服务程序中处理按键，并显示键值

/*exe-3*/
#include "config.h"
void eint_isr(void){
  key=getKey();
  switch(key){
      case 1:segment_off();segment_on(0,1);break;
      case 2:segment_off();segment_on(0,2);break;
      case 3:segment_off();segment_on(0,3);break;
      default::segment_off();segment_on(0,_OFF_);break;
  } 
}
int main(){
  unsigned char key=0;
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  VIC_init();
  //主循环
  while(1);
}

用上了中断后你就会爱上它，舍不得不用了。

3.有多种交互，多种任务

例：处理按键、显示、控制、测量电机转速

按键三个，分别为加速，减速，停止，属于输入。显示属于输出，电机属于输出，电机测试属于输入。

完成上述工作需要实现的功能很多，不用操作系统的情况下，我们一般采用中断驱动的前后台结构

1）轮询结构--超级循环结构

主函数的主循环中处理各种交互及业务，适合于简单任务

/*exe-4*/
#include "config.h"
void  handle_key(){
  ...
}
void   handle_disp(){
  ...
}
void   handle_motor(){
  ...
}
  
int main(){
  unsigned char key=0;
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  motor_init();
  //主循环
  while(1){
    handle_key();
    handle_disp();
    handle_motor();
  } 
}

2）中断驱动的前后台结构

a中断驱动结构

代码和上述exe-4相似，将按键、显示等都放在中断程序中，主循环空转

中断驱动结构的主要问题是将业务逻辑也放在了中断服务程序中，但业务逻辑比较复杂时，中断响应可能不及时，并且结构复杂。

b轮询与中断结合的结构

• 中断作为前台，主要处理各种设备控制及交互等；
• 业务逻辑放在主函数的主循环中，作为后台；
• 中断服务程序中一般不进行业务处理（避免处理时间太长）；
• 前后台之间、任务之间通过变量标志进行同步。

 在各种任务中，有些任务是必然存在的：数据的的显示、按键的处理等，一般来说业务逻辑负责处理和产生数据。这时候我们可以采用所谓的MVC架构，M即模型(model)，可以看作就是数据，V即视图（view),如何显示数据；而C即控制（control），也就是处理、产生数据；业务逻辑（C）处理数据、模型保存数据、视图显示数据，业务逻辑一般最复杂，且分布较为复杂。MVC架构对于有交互的系统来说这是一种非常有效的架构，通常我们定时器中断周期性的处理显示问题、按键扫描问题。下面的结构仔细体会：

/*exe-5*/
#include "config.h"
//处理和显示的数据，相当于model
int keyValue=0;
int motor_cnt=0;//记录电机转速产生的脉冲数
int motorSpeed=0;
unsigned char pattern[]={_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_};
//同步变量
int motorCntrl_flag=0;
int speedDisp_flag=1;
int keyPress_flag=0;

void sysTick_isr(void){
  //按键处理，获得键值--getKey()
  //置处理按键标志
   if(keyValue!=0){
     keyPress_flag=1;
   }
    
  //显示速度值----MVC中的view
  segment_disp(pattern,5);
  //处理电机速度
   if(time==1S){
     motorSpeed=motor_cnt*60;
     motor_cnt=0;
     speedDisp_flag=1;
   }
}
//下面都是业务逻辑了
void eint1_isr(void){//外部中断
   motor_cnt++;//测量发生中断的次数，通过一秒钟发生的中断次数计算电机转速

}
void   handle_key(){
   switch(keyValue){
     case 1：motorCntrlFlag=1;break;
     case 2：motorCntrlFlag=2;break;
     case 3：motorCntrlFlag=3;break;
     case 4：motorCntrlFlag=4;break;
   }
}
void  handle_motor(){
  switch(motorCntrlFlag){
   case 1://电机加速
    ...;break;
   case 2://电机减速
    ...;break;
   case 3://电机停止
    ...;break;
   case 4://电机启动
    ...;break;
   }
}
void  handle_disp(){
  int speed=motorSpeed;
  for(i=7;i>=0;i--){
    pattern[i]=speed%10;
    speed/=10;
  }
}
int main(){
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  motor_init();
  //主循环
  while(1){//主循环中主要放业务逻辑或需要处理时间很长的任务
   if(keyPress==1){
     handle_key();
     keyPress=0;//保证只执行一次，其他类似，一般在中断其启动，在此执行处理
   }
   if(speedDisp_flag==1){
     handle_disp();
     speedDisp_flag=0;
   }
   if(motorCntrlFlag！=0){
     handle_motor();
     motorCntrlFlag=0;
   }   
    
  } 
}

MVC架构实现例1-4： 

/*exe-1的改进*/
#include"config.h"
//显示的数据，相当于MVC中的model;
unsigned char pattern[]={0x01，0x02，0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};
int main(void){
  unsigned char i=0;
  //
  leds_init();
  //
  while(1){
    for(i=0；i<8;i++){//显示任务，只复杂显示，与显示的内容无关,相当于view
      leds_on(pattern[i]);
      delay(1000);
      leds_off();
    }
 
  }
  return 0;
}

/*exe-2的改进*/
#include "config.h"
//数据，相当于model
unsigned char pattern[]={_OFF_,};
int main(){
  unsigned char key=0;
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  //主循环
  while(1){
    //按键处理
    key=getKey();
    switch(key){
      case 1:pattern[0]=1;break;
      case 2:pattern[0]=2;break;
      case 3:pattern[0]=3;break;
      default::pattern[0]=_OFF_;break;
    }
    //显示处理
    segment_off();//消影
    segment_on(0,pattern[0]);//在0位显示按键值
    dealy(100);
  }
}

/*exe-3的改进*/
#include "config.h"
unsigned char pattern[]={_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,_OFF_,};
void sysTick_isr(void){
  //按键处理
  key=getKey();
  if(key)
    pattern[0]=key;
  //显示
  segment_disp(*pattern,10);
}
int main(){
  unsigned char key=0;
  //初始化
  segment_init();
  key_init();
  VIC_init();
  //主循环
  while(1);
}

 

 

从上述分析可以看出，对于嵌入式系统来说，定时器是非常重要的。但其重要性还不仅如此，我们常常会遇到系统要求在什么样的时间条件下做什么事情、又在什么样的时间条件下做什么事情，这时定时器中断服务程序可能要控制多个同步变量、或进行多种处理、不仅仅计时，为处理效率考虑，我们常常发现定时器不够用了！

从这里我们也可以看出，嵌入式系统中有三个设备非常重要：GPIO、中断、定时器！一定要掌握。

这里还有几个问题需要解决：

随着系统复杂程度的增加，同步变量的数量越来越多，如何管理这些同步变量？----消息事件机制，统一管理

同一个消息，同一个任务，在不同的状态下需要执行不同的操作，业务逻辑复杂如何解决？---有限状态机

某轮询任务复杂、处理时间较长，影响其他任务的及时处理，如何解决？----大任务拆成小任务（部分解决问题，不是长久之计）；多任务操作系统

对于大部分的情况来说，我们可能主要用到用到状态机，至于消息事件机制，如果已经复杂到同步变量解决不了了，为什么不用操作系统呢？任务拆分也不是那么好拆的。所以一旦感觉到超出自己管理范围了，非常有可能是你的系统结构设计有问题。

3）多任务操作系统

这是另外一个比较复杂的话题，暂略。