一文搞懂单片机应用程序架构
发布时间：2022-08-12 15:02:27
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，本人觉得架构是非常必要的。前不就发帖与大家一起讨论了一下怎样架构你的单片机程序，发现真正使用架构的并不都，而且这类书籍基本没有。
本人经过摸索实验并总结，大致应用程序的架构有三种：
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。
下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。
1
顺序执行法：
这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然能够实现功能，但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。
这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。
本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。
下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
uint8 keyValue;
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskDisplayClock();
keyValue = TaskKeySan();
switch (keyValue)
{
case x: TaskDispStatus(); break;
...
default: break;
}
}
}
复制代码
2
时间片轮询法
时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。
对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有一定的借鉴性。
记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，由于时间的问题，并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。
使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：
1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。
2. 定义一个数值：
#define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。
复制代码
3. 在定时器中断服务函数中添加：
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定时中断服务函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
{
if (TaskCount)
{
TaskCount--;
if (TaskCount == 0)
{
TaskMark = 0x01;
}
}
}
}
复制代码
代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。
4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：
TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器
复制代码
到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。
通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。
循环判断标志位：
那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。
执行其他函数：
那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。
时间片轮询法的架构：
1.设计一个结构体：
// 任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序运行标记：0-不运行，1运行
uint8 Timer; // 计时器
uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
} TASK_COMPONENTS; // 任务定义
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这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。
2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任务标志处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps.Timer) // 时间不为0
{
TaskComps.Timer--; // 减去一个节拍
if (TaskComps.Timer == 0) // 时间减完了
{
TaskComps.Timer = TaskComps.ItvTime; // 恢复计时器值，从新下一次
TaskComps.Run = 1; // 任务可以运行
}
}
}
}
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大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？
3. 任务处理
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任务处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps.Run) // 时间不为0
{
TaskComps.TaskHook(); // 运行任务
TaskComps.Run = 0; // 标志清0
}
}
}
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此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。
到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。
下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。
1. 定义一个上面定义的那种结构体变量
/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工作状态
// 这里添加你的任务。。。。
};
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在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。
①大概意思是，我们有三个任务，没1s执行以下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。
②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。
③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。
2. 任务列表
// 任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
TASK_DISP_WS, // 工作状态显示
// 这里添加你的任务。。。。
TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
} TASK_LIST;
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好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。
3. 编写任务函数
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 显示任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 扫描任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作状态显示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 这里添加其他任务。
复制代码
现在你就可以根据自己的需要编写任务了。
4. 主函数
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任务处理
}
}
复制代码
到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？
不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。
本人经过摸索实验并总结，大致应用程序的架构有三种：
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。
下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。
1
顺序执行法：
这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然能够实现功能，但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。
这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。
本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。
下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
uint8 keyValue;
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskDisplayClock();
keyValue = TaskKeySan();
switch (keyValue)
{
case x: TaskDispStatus(); break;
...
default: break;
}
}
}
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2
时间片轮询法
时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。
对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有一定的借鉴性。
记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，由于时间的问题，并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。
使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：
1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。
2. 定义一个数值：
#define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。
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3. 在定时器中断服务函数中添加：
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定时中断服务函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
{
if (TaskCount)
{
TaskCount--;
if (TaskCount == 0)
{
TaskMark = 0x01;
}
}
}
}
复制代码
代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。
4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：
TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器
复制代码
到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。
通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。
循环判断标志位：
那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。
执行其他函数：
那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。
时间片轮询法的架构：
1.设计一个结构体：
// 任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序运行标记：0-不运行，1运行
uint8 Timer; // 计时器
uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
} TASK_COMPONENTS; // 任务定义
复制代码
这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。
2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任务标志处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps.Timer) // 时间不为0
{
TaskComps.Timer--; // 减去一个节拍
if (TaskComps.Timer == 0) // 时间减完了
{
TaskComps.Timer = TaskComps.ItvTime; // 恢复计时器值，从新下一次
TaskComps.Run = 1; // 任务可以运行
}
}
}
}
复制代码
大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？
3. 任务处理
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任务处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps.Run) // 时间不为0
{
TaskComps.TaskHook(); // 运行任务
TaskComps.Run = 0; // 标志清0
}
}
}
复制代码
此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。
到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。
下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。
1. 定义一个上面定义的那种结构体变量
/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工作状态
// 这里添加你的任务。。。。
};
复制代码
在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。
①大概意思是，我们有三个任务，没1s执行以下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。
②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。
③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。
2. 任务列表
// 任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
TASK_DISP_WS, // 工作状态显示
// 这里添加你的任务。。。。
TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
} TASK_LIST;
复制代码
好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。
3. 编写任务函数
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 显示任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 扫描任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作状态显示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 这里添加其他任务。
复制代码
现在你就可以根据自己的需要编写任务了。
4. 主函数
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任务处理
}
}
复制代码
到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？
不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。
