談?wù)剢纹瑱C(jī)裸奔的程序框架

關(guān)鍵字：單片機(jī) 作者：來源: 發(fā)布時(shí)間：2019-07-31 瀏覽：12

初學(xué)單片機(jī)時(shí)，都會糾結(jié)于其各個(gè)模塊功能的應(yīng)用，如串口(232，485)對各種功能IC的控制,電機(jī)控制PWM，中斷應(yīng)用，定時(shí)器應(yīng)用，人機(jī)界面應(yīng)用，CAN總線等. 這是一個(gè)學(xué)習(xí)過程中必需的階段，是基本功。很慶幸，在參加電子設(shè)計(jì)大賽賽前培訓(xùn)時(shí)，MCU周圍的控制都訓(xùn)練的很扎實(shí)。經(jīng)過這個(gè)階段后，后來接觸不同的MCU就會發(fā)現(xiàn)，都大同小異，各有各的優(yōu)勢而已，學(xué)任何一種新的MCU都很容易入手包括一些復(fù)雜的處理器。而且對MCU的編程控制會提升一個(gè)高度概況——就是對各種外圍進(jìn)行控制(如果是對復(fù)雜算法的運(yùn)算就會

用DSP了)，而外圍與MCU的通信方式一般也就幾種時(shí)序：IIC,SPI,intel8080,M6800。這樣看來MCU周圍的編程就是一個(gè)很簡單的東西了。

然而這只是嵌入式開發(fā)中的一點(diǎn)皮毛而已，在接觸過多種MCU,接觸過復(fù)雜設(shè)計(jì)要求，跑過操作系統(tǒng)等等后，我們在回到單片機(jī)的裸機(jī)開發(fā)時(shí)，就不知不覺的就會考慮到整個(gè)程序設(shè)計(jì)的架構(gòu)問題;一個(gè)好的程序架構(gòu)，是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師和一個(gè)初學(xué)者的分水嶺。

以下是我對單片機(jī)程序框架以及開發(fā)中一些常用部分的認(rèn)識總結(jié)：

任何對時(shí)間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時(shí)候我們只有增加硬件成本來消滅它;比如你要8個(gè)數(shù)碼管來顯示，我們在沒有相關(guān)的硬件支持的時(shí)候必須用MCU以動態(tài)掃描的方式來使其工作良好;而動態(tài)掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負(fù)擔(dān)很重的場合，我會選擇選用一個(gè)類似max8279外圍ic來解決這個(gè)困擾;

然而慶幸的是，有著許多不是對時(shí)間要求苛刻的事情：

例如鍵盤的掃描，人們敲擊鍵盤的速率是有限的，我們無需實(shí)時(shí)掃描著鍵盤，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下;然而這個(gè)幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情;

單片機(jī)雖然是裸機(jī)奔跑，但是往往現(xiàn)實(shí)的需要決定了我們必須跑出操作系統(tǒng)的姿態(tài)——多任務(wù)程序;

比如一個(gè)常用的情況有4個(gè)任務(wù)：

1 鍵盤掃描;

2 led數(shù)碼管顯示;

3 串口數(shù)據(jù)需要接受和處理;

4 串口需要發(fā)送數(shù)據(jù);

如何來構(gòu)架這個(gè)單片機(jī)的程序?qū)⑹俏覀兊闹攸c(diǎn);

讀書時(shí)代的我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在主循環(huán)中，而串口接收數(shù)據(jù)用中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中組成相應(yīng)的幀格式后置位相應(yīng)的標(biāo)志位，在主函數(shù)的循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，串口發(fā)送數(shù)據(jù)以及l(fā)ed的顯示也放在主循環(huán)中;

這樣整個(gè)程序就以標(biāo)志變量的通信方式，相互配合的在主循環(huán)和后臺中斷中執(zhí)行;

然而必須指出其不妥之處：

每個(gè)任務(wù)的時(shí)間片可能過長，這將導(dǎo)致程序的實(shí)時(shí)性能差。如果以這樣的方式在多加幾個(gè)任務(wù)，使得一個(gè)循環(huán)的時(shí)間過長，可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個(gè)良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個(gè)任務(wù)中費(fèi)時(shí)間的部分以及把每個(gè)任務(wù)再次分解;下面來細(xì)談每個(gè)任務(wù)的具體措施：

1 鍵盤掃描

鍵盤掃描是單片機(jī)的常用函數(shù)，以下指出常用的鍵盤掃描程序中，嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的地方;

眾所周知，一個(gè)鍵按下之后的波形是這樣的(假定低有效)：

在有鍵按下后，數(shù)據(jù)線上的信號出現(xiàn)一段時(shí)間的抖動，然后為低，然后當(dāng)按鍵釋放時(shí)，信號抖動一段時(shí)間后變高。當(dāng)然，在數(shù)據(jù)線為低或者為高的過程中，都有可能出現(xiàn)一些很窄的干擾信號。

unsigned char kbscan(void)

{

unsigned char sccode,recode;

P2=0xf8;

if ((P2&0xf8)!=0xf8)

{

delay(100); //延時(shí)20ms去抖--------這里太費(fèi)時(shí)了，很糟糕

if((P2&0xf8)!=0xf8)

{

sccode=0xfe;

while((sccode&0x08)!=0)

{

P2=sccode;

if ((P2&0xf8)!=0xf8)

break;

sccode=(sccode<<1)|0x01;

}

recode=(P2&0xf8)|0x0f;

return(sccode&recode);

}

return (KEY_NONE);

}

鍵盤掃描是需要軟件去抖的，這沒有爭議，然而該函數(shù)中用軟件延時(shí)來去抖(ms級別的延時(shí))，這是一個(gè)維持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的一個(gè)大忌諱;

一般還有一個(gè)判斷按鍵釋放的代碼：

While( kbscan() != KEY_NONE)

; //死循環(huán)等待

這樣很糟糕，如果把鍵盤按下一直不放，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它的任務(wù)也不能執(zhí)行，這將是個(gè)很嚴(yán)重的bug。

有人會這樣進(jìn)行處理：

While(kbsan() != KEY_NONE )

{

Delay(10);

If(Num++ > 10)

Break;

}

即在一定得時(shí)間內(nèi)，如果鍵盤一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它任務(wù)不能運(yùn)行，但也很大程度上，削弱了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)樗昧搜訒r(shí)函數(shù);

我們用兩種有效的方法來解決此問題：

1 在按鍵功能比較簡單的情況下，我們?nèi)匀挥蒙厦娴膋bscan()函數(shù)進(jìn)行掃描，只是把其中去抖用的軟件延時(shí)去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個(gè)函數(shù)來處理，它不用軟件延時(shí)，而是用定時(shí)器的計(jì)時(shí)(用一般的計(jì)時(shí)也行)來完成;代碼如下

void ClearKeyFlag(void)

{

KeyDebounceFlg = 0;

KeyReleaseFlg = 0;

}

void ScanKey(void)

{

++KeyDebounceCnt;//去抖計(jì)時(shí)(這個(gè)計(jì)時(shí)也可以放在后臺定時(shí)器計(jì)時(shí)函數(shù)中處理)

KeyCode = kbscan();

if (KeyCode != KEY_NONE)

{

if (KeyDebounceFlg)//進(jìn)入去抖狀態(tài)的標(biāo)志位

{

if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖規(guī)定的時(shí)間

{

if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值

{

KeyDebounceFlg = 0;

KeyReleaseFlg = 1;//釋放標(biāo)志

return; //Here exit with keycode

}

ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖動而已

}

}else{

if (KeyReleaseFlg == 0)

{

KeyOldCode = KeyCode;

KeyDebounceFlg = 1;

KeyDebounceCnt = 0;

}else{

if (KeyCode != KeyOldCode)

ClearKeyFlag();

}

}else{

ClearKeyFlag();//沒有按鍵則清零標(biāo)志

}

KeyCode = KEY_NONE;

}

在按鍵情況較復(fù)雜的情況，如有長按鍵，組合鍵，連鍵等一些復(fù)雜功能的按鍵時(shí)候，我們跟傾向于用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)鍵盤的掃描;

//avr 單片機(jī) 中4*3掃描狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

char read_keyboard_FUN2()

{

static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time;

char key_return = No_key,i;

switch (key_state)

{

case 0: //最初的狀態(tài)，進(jìn)行3*4的鍵盤掃描

key_line = 0b00001000;

for (i=1; i<=4; i++) // 掃描鍵盤

{

PORTD = ~key_line; // 輸出行線電平

PORTD = ~key_line; // 必須送2次!!!(注1)

key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平

if (key_value == Key_mask)

key_line <<= 1; // 沒有按鍵，繼續(xù)掃描

else

{

key_state++; // 有按鍵，停止掃描

break; // 轉(zhuǎn)消抖確認(rèn)狀態(tài)

}

break;

case 1: //此狀態(tài)來判斷按鍵是不是抖動引起的

if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平，

{

key_state++; // 轉(zhuǎn)入等待按鍵釋放狀態(tài)

key_time=0;

}

else

key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態(tài)0，(消抖處理)

break;

case 2: // 等待按鍵釋放狀態(tài)

PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平

PORTD = 0b00000111; // 重復(fù)送一次

if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)

{

key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0

key_return= (key_line | key_value);//獲得了鍵值

}

else if(++key_time>=100)//如果長時(shí)間沒有釋放

{

key_time=0;

key_state=3;//進(jìn)入連鍵狀態(tài)

key_return= (key_line | key_value);

}

break;

case 3://對于連鍵，每隔50ms就得到一次鍵值，windows xp 系統(tǒng)就是這樣做的

PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平

PORTD = 0b00000111; // 重復(fù)送一次

if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)

key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0

else if(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵

{

key_time=0;

key_return= (key_line | key_value);

}

break;

}

return key_return;

}

以上用了4個(gè)狀態(tài)，一般的鍵盤掃描只用前面3個(gè)狀態(tài)就可以了，后面一個(gè)狀態(tài)是為增加“連鍵”功能設(shè)計(jì)的。連鍵——即如果按下某個(gè)鍵不放，則迅速的多次響應(yīng)該鍵值，直到其釋放。在主循環(huán)中每隔10ms讓該鍵盤掃描函數(shù)執(zhí)行一次即可;我們定其時(shí)限為10ms,當(dāng)然要求并不嚴(yán)格。

2 數(shù)碼管的顯示

一般情況下我們用的八位一體的數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描的方法來完成顯示;非常慶幸人眼在高于50hz以上的閃爍時(shí)發(fā)現(xiàn)不了的。所以我們在動態(tài)掃描數(shù)碼管的間隔時(shí)間是充裕的。這里我們定其時(shí)限為4ms(250HZ) ，用定時(shí)器定時(shí)為2ms,在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行掃描的顯示，每次只顯示其中的一位;當(dāng)然時(shí)限也可以弄長一些，更推薦的方法是把顯示函數(shù)放入主循環(huán)中，而定時(shí)中斷中置位相應(yīng)的標(biāo)志位即可;

// Timer 0 比較匹配中斷服務(wù),4ms定時(shí)

interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)

{

display(); // 調(diào)用LED掃描顯示

……………………

}

void display(void) // 8位LED數(shù)碼管動態(tài)掃描函數(shù)

{

PORTC = 0xff; // 這里把段選都關(guān)閉是很必要的，否則數(shù)碼管會產(chǎn)生拖影

PORTA = led_7[dis_buff[posit]];

PORTC = position[posit];

if (++posit >=8 )

posit = 0;

}

3 串口接收數(shù)據(jù)幀

串口接收時(shí)用中斷方式的，這無可厚非。但如果你試圖在中斷服務(wù)程序中完成一幀數(shù)據(jù)的接收就麻煩大了。永遠(yuǎn)記住，中斷服務(wù)函數(shù)越短越好，否則影響這個(gè)程序的實(shí)時(shí)性能。一個(gè)數(shù)據(jù)幀一般包括若干個(gè)字節(jié)，我們需要判斷一幀是否完成，校驗(yàn)是否正確。在這個(gè)過程中我們不能用軟件延時(shí)，更不能用死循環(huán)等待等方式;

所以我們在串口接收中斷函數(shù)中，只是把數(shù)據(jù)放置于一個(gè)緩沖隊(duì)列中。

至于組成幀，以及檢查幀的工作我們在主循環(huán)中解決，并且每次循環(huán)中我們只處理一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的處理間隔的彈性比較大，因?yàn)槲覀円呀?jīng)緩存在了隊(duì)列里面。

/*==========================================

功能：串口發(fā)送接收的時(shí)間事件

說明：放在大循環(huán)中每10ms一次

輸出：none

輸入：none

==========================================*/

void UARTimeEvent(void)

{

if (TxTimer != 0)//發(fā)送需要等待的時(shí)間遞減

--TxTimer;

if (++RxTimer > RX_FRAME_RESET) //

RxCnt = 0; //如果接受超時(shí)(即不完整的幀或者接收一幀完成)，把接收的不完整幀覆蓋

}

/*==========================================

功能：串口接收中斷

說明：接收一個(gè)數(shù)據(jù)，存入緩存

輸出：none

輸入：none

==========================================*/

interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void)

{

INT8U status,data;

status = UCSRA;

data = UDR;

if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0){

RxBuf[RxBufWrIdx] = data;

if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收數(shù)據(jù)于緩沖中

RxBufWrIdx = 0;

if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){

RxBufCnt = 0;

//RxBufferOvf=1;

}

/*==========================================

功能：串口接收數(shù)據(jù)幀

說明：當(dāng)非0輸出時(shí)，收到一幀數(shù)據(jù)

放在大循環(huán)中執(zhí)行

輸出：==0:沒有數(shù)據(jù)幀

!=0:數(shù)據(jù)幀命令字

輸入：none

==========================================*/

INT8U ChkRxFrame(void)

{

INT8U dat;

INT8U cnt;

INT8U sum;

INT8U ret;

ret = RX_NULL;

if (RxBufCnt != 0){

RxTimer = 0; //清接收計(jì)數(shù)時(shí)間，UARTimeEvent()中對于接收超時(shí)做了放棄整幀數(shù)據(jù)的處理

//Display();

cnt = RxCnt;

dat = RxBuf[RxBufRdIdx]; // Get Char

if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE)

RxBufRdIdx = 0;

Cli();

--RxBufCnt;

Sei();

FrameBuf[cnt++] = dat;

if (cnt >= FRAME_LEN)// 組成一幀

{

sum = 0;

for (cnt = 0;cnt < (FRAME_LEN - 1);cnt++)

sum+= FrameBuf[cnt];

if (sum == dat)

ret = FrameBuf[0];

cnt = 0;

}

RxCnt = cnt;

}

return ret;

}

以上的代碼ChkRxFrame()可以放于串口接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)RxProcess() 中，然后放入主循環(huán)中執(zhí)行即可。以上用一個(gè)計(jì)時(shí)變量RxTimer，很微妙的解決了接收幀超時(shí)的放棄幀處理，它沒有用任何等待，而且主循環(huán)中每次只是接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，時(shí)間很短。

我們開始架構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的框架：

我們選用一個(gè)系統(tǒng)不常用的TIMER來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍，這里我們選用4ms;

在meg8中我們代碼如下：

// Timer 0 overflow interrupt service routine

interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)

{

// Reinitialize Timer 0 value

TCNT0=0x83;

// Place your code here

if ((++Time1ms & 0x03) == 0)

TimeIntFlg = 1;

}

然后我們設(shè)計(jì)一個(gè)TimeEvent()函數(shù)，來調(diào)用一些在以指定的頻率需要循環(huán)調(diào)用的函數(shù)，

比如每個(gè)4ms我們就進(jìn)行喂狗以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，每隔1s我們就調(diào)用led閃爍程序，每隔20ms我們進(jìn)行鍵盤掃描程序;

void TimeEvent (void)

{

if (TimeIntFlg){

TimeIntFlg = 0;

ClearWatchDog();

display(); // 在4ms事件中，調(diào)用LED掃描顯示，以及喂狗

if (++Time4ms > 5){

Time4ms = 0;

TimeEvent20ms();//在20ms事件中，我們處理鍵盤掃描read_keyboard_FUN2()

if (++Time100ms > 10){

Time100ms = 0;

TimeEvent1Hz();// 在1s事件中，我們使工作指示燈閃爍

}

UARTimeEvent();//串口的數(shù)據(jù)接收事件，在4ms事件中處理

}

顯然整個(gè)思路已經(jīng)很清晰了，cpu需要處理的循環(huán)事件都可以根據(jù)其對于時(shí)間的要求很方便的加入該函數(shù)中。但是我們對這事件有要求：

執(zhí)行速度快，簡短，不能有太長的延時(shí)等待，其所有事件一次執(zhí)行時(shí)間和必須小于系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間片4ms(根據(jù)需要可以加大系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍)。所以我們的鍵盤掃描程序，數(shù)碼管顯示程序，串口接收程序都如我先前所示。如果逼不得已需要用到較長的延時(shí)(如模擬IIc時(shí)序中用到的延時(shí))

我們設(shè)計(jì)了這樣的延時(shí)函數(shù)：

void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時(shí)函數(shù)的單位為4ms(系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍)

{

while (delay){

if (TimeIntFlg){

--delay;

TimeEvent();

}

TxProcess();

RxProcess();

}

我們需要延時(shí)的時(shí)間=delay*系統(tǒng)記住節(jié)拍4ms,此函數(shù)就確保了在延時(shí)的同時(shí)，我們其它事件(鍵盤掃描，led顯示等)也并沒有被耽誤;

好了這樣我們的主函數(shù)main()將很簡短：

Void main (voie)

{

Init_all();

while (1)

{

TimeEvent(); //對于循環(huán)事件的處理

RxProcess(); //串口對接收的數(shù)據(jù)處理

TxProcess();// 串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理

}

整體看來我們的系統(tǒng)就成了將近一個(gè)萬能的模版了，根據(jù)自己所選的cpu,選個(gè)定時(shí)器，在添加自己的事件函數(shù)即可，非常靈活方便實(shí)用，一般的單片機(jī)能勝任的場合，該模版都能搞定。

整個(gè)系統(tǒng)以全局標(biāo)志作為主線，形散神不散;系統(tǒng)耗費(fèi)比較小，只是犧牲了一個(gè)Timer而已，在資源缺乏的單片機(jī)中，非常適;曾經(jīng)看過一個(gè)網(wǎng)友的模版“單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)”，其以51為例子寫的，整體思路和這個(gè)差不多，不過他寫得更為規(guī)范緊湊，非常欣賞;但個(gè)人覺得代碼開銷量要大些，用慣了都一樣哦。但是由于本系統(tǒng)以全局標(biāo)志為驅(qū)動事件，所以比較感覺比較凌亂，全局最好都做好注釋，而其要注意一些隱形的函數(shù)遞歸情況，千萬不要遞歸的太深哦(有的單片機(jī)不支持)。

http://bbs.21ic.com/icview-237577-1-1.html

編輯：admin 最后修改時(shí)間：2019-07-31

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