嵌入式裸机设计思想——时间片轮裸机开发架构+状态机+定时器调度机制

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘校园大使，湖南区域的日常实习，任何区域的暑假Linux驱动实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：[email protected]，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）在MCU开发的时候，很多入门者会固执的认为，做项目一定要上实时操作系统。但是真的是这样的吗？
（3）我曾经阅读过一位10年嵌入式开发经验的大佬分享的公众号，这位大佬感叹到，其实对于绝大多数时候，MCU开发不需要上操作系统。只要任务分配的合理，百分之九十的项目不上操作系统都是能够跑的。
（4）今天我就分享一下我之前备赛期间所搭建基于TM4C123的工程模板。不过这个模板问题还是有很多，比如模块之间耦合很严重，当时没有这个意识，现在才发现写的有多垃圾。虽说如此，但本人认为还是有优点的地方。
（5）注意：本文需要一点函数指针，结构体，枚举的知识，不了解的同学请先去补充好基础再来看

正文

状态机

（1）状态机其实很好理解，说白了就是一个switch()语句。根据情况将一个任务拆分成多种。例如，在我的代码中，有一个OLED显示程序。因为OLED显示是非常浪费时间的，为了不因为一个这样的程序，而影响到其他任务的执行，我们可以将OLED显示任务分成多个，依次显示。

static void Display(void)
{
	static uint8_t gray_display_state=2;
	switch(gray_display_state)
	{
		case 2:gray_display_state++;break;
		case 3:gray_display_state++;break;
		case 4:gray_display_state++;break;
		case 5:gray_display_state++;break;
		case 6:gray_display_state++;break;
		default:gray_display_state = 2;
	}
}

（2）上面那种其实是最简单的形式，整个状态是呈现圆圈型状的状态机。但是，我们有时候会遇到一些情况，他的状态有很多种任务流程，例如洗衣机，有待机状态，运行状态，运行结束之后的自动停止进入待机状态，手动关停状态，因一些异常情况引起的停止状态。因此，状态机也是一个很好的思路。

enum Washer_State_List
{
	off,            //待机状态
	run,            //运行机状态
	automatic_stop, //自动停止
	hand_stop,      //手动关停状态
	malfunction     //故障
};
static void washer_control(void)
{
	static uint8_t washer_state=2;
	switch(washer_state)
	{
		case off:
			LCD_show("stop");
			if(operation_key == true) washer_state = run;
			break;
		case run:
			LCD_show("runing");
			//如果手动关停
			if(hand_stop_key == true) washer_state = hand_stop;
			//如果计时结束
			if(time-- == over) washer_state = automatic_stop;
			//识别到了异常
			if(err == true) goto err;
			break;
		case automatic_stop:
			//显示洗衣机已经关闭
			LCD_show("Finished washing");
			washer_state = off;
			break;
		case hand_stop:
			//关闭洗衣机
			washer_stop();
			//显示洗衣机已经手动关闭
			LCD_show("Manually closed");
			washer_state = off;
			break;
		case malfunction:
			err : 
				//关闭洗衣机
				washer_stop();
				//报警
				alarm_system(on);
				//显示机器故障
				LCD_show("Machine failure");
				washer_state = off;
			break;
		default:gray_display_state = 2;
	}
}

时间片轮裸机开发架构

（1）这个机制名字很多，有些人叫做软定时器，有些叫做Easy51RTOS，具体叫做什么，我们就不深究了。
（2）新手入门MCU裸机开发，肯定都是一股脑的采用while(1)死循环，然后一直跑。如果是开发稍微复杂一点点的任务时候，你就会深刻的感受到，这样写究竟有多垃圾。
（3）一股脑的while(1)死循环，然后里面堆一大堆的任务，这样做有一下几种问题：
<1>在后续的维护中非常复杂。想找到目标任务找起来很费力。
<2>并不是所有的任务都需要频繁执行，例如OLED显示，就是一个非常费时间，但是又没有必要一直保持刷新的任务。他只要能够做到50ms刷新一次就能够做动画了。因此这种任务放在while(1)无脑执行无疑是对CPU的浪费，导致真正需要CPU执行的任务没有有效的照顾。
（4）为了优化上面这些问题，大佬们于是提出了基于时间片的裸机开发架构，我们可以利用一个定时器提供心跳，不断的进行计数。然后当定时时间一到，那么就可以开始执行相应的任务了。
（5）时间片轮转的裸机架构看起来是不是很完美？NO，不是的，他确实比无脑while(1)优秀很多，但是我们需要知道，每个任务的执行时间不能超出一次时间片。（例如我们上面的滴答定时器是2ms定时，所以时间片是2ms）
（6）因此，我们需要大概估计每个任务的执行时间，这里有很两种做法：
<1>利用滴答定时器，当任务开始记录当前时间，任务结束记录当前时间然后两者相减。
<2>进入函数，让某个引脚为高电平，函数结束让他为低电平，然后用示波器捕捉这个引脚的上升沿和下降沿。（这个方法感觉有点麻烦，我是使用的第一个）
（7）时间片轮裸机开发框架机制确实非常好，但是毕竟还是软件实现的任务调度，实时性只能说相对于只有一个while(1)好，对于其他的机制还是不太行。所以我个人还是建议，只有不重要的任务，对整个项目影响不大的任务可以放在这个框架里面，例如OLED显示，按键扫描。

/*------------------------------------------------*/
/*------------------- systick.c ------------------*/
/*------------------------------------------------*/
/* 滴答定时器中断，每2毫秒进入一次，count表示过了多少个2毫秒，最多计时2366多个小时*/
static void SycTickHandler(void) {
	counter++;
	task_remarks();    //用于任务调度，此任务执行时间在5us之内
}
/*------------------------------------------------*/
/*-------------------- Task.h --------------------*/
/*------------------------------------------------*/
#ifndef     _Task__H
#define     _Task__H

// 任务结构
typedef struct 
{
    uint8_t  run;                          // 程序运行标记：0：不运行，1：运行
    uint16_t timer;                        // 定时器，用于自减 单位：ms
    uint16_t itv_time;                     // 任务运行间隔时间 单位：ms
    void (*hook)(void);                    // 要运行的任务函数
} task_params_t;  

/*****    函数声明    *******/
void task_proc(void);     //任务执行处理
void task_remarks(void);  //任务标志位处理

#endif
/*------------------------------------------------*/
/*-------------------- Task.c --------------------*/
/*------------------------------------------------*/
static void SW_Scan(void);
// 任务清单
enum TASK_LIST {
	TASK1_SW_Scan,                    // 任务2，按键扫描
	TASK2_Display,                    // 任务3，OLED显示
	
	TASKS_NUM                         // 任务总数
};


//任务列表
static task_params_t s_task_params[TASKS_NUM] = {
	{0, Task_interval_ms(20),  Task_interval_ms(20),  SW_Scan },                  //任务2
	{0, Task_interval_ms(10),  Task_interval_ms(10),  Display },                  //任务3
};

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: task_proc
*	功能说明: 任务处理
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void task_proc(void)
{
    uint8_t i = 0;

	for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++)
	{
		if(s_task_params[i].run)
		{
			s_task_params[i].run = 0;
			s_task_params[i].hook();
			s_task_params[i].timer = s_task_params[i].itv_time;
			break;
		}
	}
}


/* 作用 ： 任务标志处理，单位是2ms，因为滴答定时器中断设置的是2ms
 * 传入参数 ： 无
 * 返回参数 ： 无
 * 任务时间 ： TASKS_NUM少于10的时候，运行速度在5ns之内
*/
void task_remarks(void)
{
	uint8_t i = 0;

	for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++) 
	{
		if(s_task_params[i].timer)
		{
			s_task_params[i].timer--;

			if(s_task_params[i].timer == 0)
			{
				s_task_params[i].run = 1;
			}
		}
	}
}

/*****************************************************************************************/
/*************************************  按键扫描任务  *************************************/
/*****************************************************************************************/
static void SW_Scan(void)
{
	//...
}

/*****************************************************************************************/
/*********************************  灰度传感器时间显示任务  *******************************/
/*****************************************************************************************/
static void Display(void)
{
	static uint8_t gray_display_state=2;
	switch(gray_display_state)
	{
		case 2:
			gray_display_state++;
			//...
			break;
		case 3:
			gray_display_state++;
			//...
			break;
		case 4:
			gray_display_state++;
			//...		
		break;
		case 5:
			gray_display_state++;
			//...
			break;
		case 6:
			gray_display_state++;
			//...
			break;
		default:
			gray_display_state = 2;
	}
}

定时器调度

（1）如果经验稍微丰富的同学会发现，上面的方法其实还是有问题的。例如有些任务我需要说执行就执行，如果是按照上面的方法来肯定是有一点点迟钝的。
（2）因此，我们可以采用定时器调度机制，例如我们的编码器数值读取和PID运算是优先级最高的任务，他的影响因素非常大，是我们的核心任务，所以他单独分配一个定时器。
（3）然后其他的一些任务，很相对来说，比较重要，但是却又不是核心任务。因此，我们可以将它存放在一个优先级低一级的定时器中。
（4）如果还有剩余的定时器，你可以自己根据需求进行任务分级，然后实现定时器调度功能。

//用于获取编码器的值
systime Time0_Delta;
void TIMER0A_Handler(void)
{
  get_systime(&Time0_Delta);
	cnt = 1;
	left_motor_speed_cmps =get_left_motor_speed();   //获取左边轮子实际速度值
	right_motor_speed_cmps=get_right_motor_speed();  //获取右边轮子实际速度值
	Motor_Foreward_Right(400);
	Motor_Foreward_Left(400);
  TimerIntClear(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);   //清除中断标志位
}
//普通任务
systime Time1_Delta;
void TIMER1A_Handler(void)
{
  get_systime(&Time1_Delta);
	cnt = 2;
	//任务列表
	//超声波数据解析
  US_100_Statemachine(UART5_BASE);  
	//MPU6050数据采集
	MPU6050_Read_Data(&WP_Sensor.gyro_raw,&WP_Sensor.accel_raw,&WP_Sensor.temperature);
  TimerIntClear(TIMER1_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);  //清除中断标志位
}

总结

（1）如果我们了解了如上机制，对于后续的操作系统学习，以及任务调度的理解会有一定的帮助。
（2）使用如上机制之后，也会很好的管理项目的各种任务，多裸机开发也很有利。