单片机裸机程序——程序架构

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程序架构等同于思想体系

建一栋楼房，地基要先设计好，而不是马上砌砖，地基和布局都合理，房子就住得舒服，也不会闹心。

写一段程序也一样，程序构架要想好，而不是一边写一边调整构架，想到这个功能就先写这个功能，多个功能放在一起后无法协调，又要改构架，效率非常低。

把构架用图形的形式设计好，再像添砖加瓦一样去编码，实现功能。

一、前后台顺序法

公司都有负责接待来宾的前台，当有人来访或有电话来，前台就会通知其他负责人，正在有序工作的负责人必须马上停止手中工作，接待或接听结束后再回到原来的事情上继续。有人来访或有电话比做前台，正在有序工作比做后台。

前后台顺序执行是入门开发者常用的程序架构，逻辑简单，复杂度低，代码量少，最直观了，从上往下执行，全部任务都在一个循环里执行，不考虑每个函数执行所需要的时间。但遇到延时就要等待，因此会造成其他函数间隔执行时间的不同，尽管能够通过定时器中断的方式，但前提是中断服务函数执行的时间必须短。

顺序执行就是在你前面的执行完了，才到你执行，好比上体育课列队报数一样，必须按顺序来，你前面相邻的同学报完数，你才能报数。

还有就是有中断发生，就优先执行中断要执行的事情，好比体育课，点到谁的名字就优先得去跑两圈。

未加入中断的轮询系统

int main(void) 
{ 
    uint8 keyValue;
 
    InitSys();                  // 系统初始化
    while (1)
    {
        TaskDisplayClock();//显示系统时钟
        keyValue = TaskKeySan();//扫描键盘
        switch (keyValue)
       {
            case x: TaskDispStatus(); break;
            ...
            default: break;
        }
    }
}

在while(1)死循环中从第一行代码往下执行到最后一行，然后返回到第一行，如此反复执行。

在轮询系统基础上加入中断处理

int flag1 = 0,flag2= 0,flag3 = 0;
int main(){
　　hardwareInit();//硬件初始化
　　while(1){
　　　　if(flag1){
　　　　　　doSomething1();//处理事件1
　　　　　　flag1=0;//清除标志位
　　　　}
　　　　if(flag2){
　　　　　　doSomething2();//处理事件2
　　　　　　flag2=0;//清除标志位
　　　　}
　　　　if(flag3){
　　　　　　doSomething3();//处理事件3
　　　　　　flag3=0;//清除标志位
　　　　}
　　}
}
//中断处理程序1
void ISR1(void )｛
　　flag1=1//置位标志位
｝ 
//中断处理程序2
void ISR2(void )｛
　　flag2=1//置位标志位
｝ 
//中断处理程序3
void ISR3(void )｛
　　flag3=1//置位标志位
｝

外部事件的响应（改变一些标志位，确保所用时间非常短）在中断里面完成，事件的处理还是要回到轮询系统中完成。

1、如果中断服务程序执行时间太长，可能导致中断嵌套非常深，容易导致栈溢出，也容易出现异常，比如死机。
2、中断只处理紧急事务！紧急事务要用中断处理！比如串口数据的接收和发送，速度太快，放在循环里处理太慢了。然而对于数据的处理，就不用着急了，可以在中断里接收完成后设置标志位，然后在主循环里根据标志位完成处理，之后手动开启相应中断去发送。

中断在这里称为前台，main()函数中的主循环称为后台。

二、时间片轮询法

敢言：时间片轮询法是万能的裸机程序构架

时间片法是一种多任务执行法，它通过为每个任务分配一定的执行时间片，使得所有任务都能够按照一定的时间间隔交替执行。任务执行的时间片是固定的，当一个任务的时间片用完后，系统切换到下一个任务执行。这种方式使得多个任务能够并行执行，提高了系统的资源利用率和效率。

时间片法适用于中等复杂度的嵌入式系统，可以满足对实时性要求较高的场景。它需要合理设置任务的优先级和时间片大小，以确保重要任务优先执行，并且每个任务都能在适当的时间内完成。

使用定时器设定不同的时间片，定时到了某个时间节点，就去执行对应时间片里的代码，代码执行时间不能超过时间片时间，时间片时间应该根据所执行任务的耗时来设定。比如，按键扫描，通常都需要软件防抖，顺序法是延时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，时间片轮询法就能很好利用CPU资源。

世界万事万物都是基于时间这条线而存在而运作的，谁都摆脱不了与时间的关联。

时间片轮询方式也容易理解，你设定的时间到了，你就执行，没到就继续等待，各个时间片之间没有优先级。

时间片轮询法系统的实现思路（只需要一个任意的定时器）
1、在系统初始化里初始化一个定时器，假设定时中断为1ms(也可以改成10ms，根据实际需求，但需要注意，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。
2、定义多个任务变量及标志位
3、定义任务函数
4、把任务调度添加到主循环中
5、把任务切换逻辑控制添加到中断服务中

1、初始化定时器，以51单片机为例

//定时器初始化，定时1ms中断一次
void Timer1_Init(){
	AUXR &= 0xBF;		//定时器时钟12T模式
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x10;		//设置定时器模式
	TL1 = 0x30;		//设置定时初值
	TH1 = 0xF8;		//设置定时初值
	TF1 = 0;		//清除TF1标志
	TR1 = 1;		//定时器1开始计时
	ET1 = 1;       //使能定时器中断
	EA = 1;
}
//定时器中断服务函数
void TM1_Isr() interrupt 3
{	
	TL1 = 0x30;		//设置定时初值
	TH1 = 0xF8;		//设置定时初值
}

2、定义任务相关

//任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
	unsigned int Run; //程序运行标记： 0-不运行，1-运行
	unsigned int Timer; //计时器
	unsigned int ItvTime;  //任务运行时间间隔
	void (*TaskHook)(void); //要运行的任务函数
}TASK_COMPONENTS;//任务定义,TASK_COMPONENTS是_TASK_COMPONENTS的别名

static TASK_COMPONENTS TaskComps[]=	 //时间节拍为1ms，由定时器产生
{
	{0,10,10,TaskRfCheck},	//处理RF数据
	{0,20,20,TaskUart2Check},  //每次只处理串口2的一个字节数据
	{0,8,8,TaskRGBdata},//RGB数据处理	 刷新频率不能低于30HZ
	{0,30,30,TaskPWMout}, //刷新PWM数据
	{0,1000,1000,TaskTimers}, //计时器
};
//任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
	TASK_RF_CHECK,
	TASK_UART2_CHECK,
	TASK_RGB_DATA,
	TASK_UART1_PRINTF,
	TASK_TIMERS,
	TASKS_MAX,	 //总共可分配的定时任务数目
}TASK_LIST;

3、定义任务函数

void TaskRfCheck() //识别遥控器按键
{
//在此处添加代码
}
void TaskUart2Check() //解析串口2数据
{
//在此处添加代码
}
void TaskRGBdata()	//处理RGBW数据
{	
//在此处添加代码
}
void TaskPWMout()	  //刷新PWM数据
{  	
//在此处添加代码
}
void TaskTimers()  //灯带独立计时器
{
//在此处添加代码
}

4、定义任务调度函数并添加到主循环中

void TaskProcess()
{
   static unsigned char i=0;  //必须是static类型
   for(i=0;i<TASKS_MAX;i++)	//逐个任务时间处理
   {
	  if(TaskComps[i].Run)	//任务可以运行
	  {
	  	 TaskComps[i].TaskHook();  //调用任务函数
		 TaskComps[i].Run = 0; //标志清0
	  }
   }		 	
}
void SysInit_all()
{
	Timer1_Init(); //定时器1初始化，用于多个任务调度
	WDT_CONTR=0x35;//看门狗设置，超时2秒则复位
}
//主函数
int main()
{
	SysInit_all();//系统初始化
	while(1)
	{
	 	TaskProcess(); //任务处理
		WDT_CONTR |= 0x10;   //喂看门狗，防止系统复位	 		
	}
	return 1;
}

5、把任务切换逻辑控制添加到中断服务中

void TaskRemarks(void)
{
   static unsigned char i=0;   //必须是static类型
   for(i=0;i<TASKS_MAX;i++)	 //逐个任务处理
   {
	   if(TaskComps[i].Timer) //时间不为0
	   {
		  TaskComps[i].Timer--; //减去一个节拍
		  if(TaskComps[i].Timer<=0)//时间减完了
		  {
			 TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime;	 //恢复计时器值，重新下一次
			 TaskComps[i].Run = 1; //任务可以运行
		  }
	   }
   }
}
//每1ms就执行一次TaskRemarks()
void TM1_Isr() interrupt 3
{	
	TL1 = 0x30;		//设置定时初值
	TH1 = 0xF8;		//设置定时初值
	TaskRemarks();	//任务调度
}

时间片轮询法的流程图大致为：

在程序中，只要把时间节点控制成有规律性的，有周期性的，那么就非常好添加代码或调试信息了。
比如在时间片为1秒的任务里，加入调试信息打印语句，那么在程序运行时每秒就会打印一次打印信息。

比如每秒打印一次字符串信息，task_1s_function函数每秒就被调用一次：

void task_1s_function()
{
	printf("1 sec is up\r\n");
}

比如每5秒打印一次字符串信息：

void task_1s_function()
{
	static unsigned int count = 0;
	if(++count > 5)
	{
		count = 0;
		printf("5 sec is up\r\n");
	}
}

比如事件A发生3秒后，执行一次事件B：

static unsigned int count_down = 0;
void A_event_occured()
{
	printf("Event A occurs\r\n");
	count_down = 3;
}
void B_event_occured()
{
	printf("Event B occurs\r\n");
}
void task_1s_function()
{
	if(count_down)
	{	
		count_down--;
		if(count_down == 0)
		{
			B_event_occured();
		}
	}
}

当A事件被触发时，执行一次B事件：

bool A_occured_flag = false;

A事件被触发，启用标志位 A_occured_flag
A_occured_flag = true;

周期地（比如10ms计时一到，F_Timer_10MS被设为true）循环执行那边判断标志位，如果被启用了，就执行语句体，否则不执行。只要限制条件满足，相关处理逻辑就会执行一次。
while(1)
{
	if(F_Timer_10MS)
	{
		F_Timer_10MS = false;
		if(A_occured_flag )
		{
			if(限制条件)
			{	
				相关处理逻辑
				A_occured_flag = false;
			}
		}
	}
}

当一个状态发生反转时，打印一次信息

if(R_loadON != R_loadON_last){
	R_loadON_last = R_loadON;
	if(R_loadON) LOG_STR("R_loadON == 1\r\n");
	else LOG_STR("R_loadON == 0\r\n");
}

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