嵌入式软件开发常用的3种架构

摘要：对于单片机程序来说，大家都不陌生，但是真正使用架构，考虑架构的恐怕并不多，随着程序开发的不断增多，架构是非常必要的。

应用程序的架构大致有三种：

• 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。

一、程序框架设计

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。

以下是在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);
  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; 
   }   
  }
 }
}

二、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；

• 目前的需求设计需要完全没有必要上操作系统。
• 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)
• 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，如果不能优化的，则必须保证该任务的执行周期必须远大于任务所执行的耗时时间），同时要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时。

“如何确定每个函数的任务周期呢？根据任务的耗时和效果决定、如按键扫描任务周期为 10ms(为了提高响应)，指示灯控制任务周期为 100ms（通常情况下最高100ms的闪烁频率正好，特殊需求除外)，LCD/OLED 显示周期为 100ms(通过这种通过SPI/IIC等接口的方式耗时大约在 1~10ms，甚至更长，所以任务周期必须远大于耗时，同时为了满足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太长，100ms 的任务周期比较合适)等。
”

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

1、无函数指针的设计方式

/**
  * @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
}

2、含函数指针的设计方式

/**
  * @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
}

三、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，而对于单片机来说，比较常用的有UCOS、FreeRTOS、RT-Thread Nano和RTX 等多种抢占式操作系统(其他如Linux等操作系统不适用于单片机)

操作系统和“时间片论法”，在任务执行方面来说，操作系统对每个任务的耗时没有过多的要求，需要通过设置每个任务的优先级，在高优先级的任务就绪时，会抢占低优先级的任务；操作系统相对复杂，因此这里没有详细介绍了。

关于如何选择合适的操作系统(uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX等RTOS的对比之特点：

• uCOS:网上资料丰富，非常适合学习，但是在产品上使用则需要收费。
• FreeRTOS：使用免费，因此很多产品都在用。
• RT-Thread：国产物联网操作系统，有着十分丰富的组件，也免费，资料：RT-Thread文档中心。
• RTX:为ARM和Cortex-M设备设计的免版税，确定性的实时操作系统。

借网上一张对比图：

四、总结

从上述的对比中可以看出，时间片轮询法的优势还是比较大的，它既有前后台顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解，所以这种是比较常用的单片机设计框架。

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