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嵌入式软件开发常用的三种架构你知道吗?

科技 2022年11月29日 04:32 24 cndao

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){}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;    }     } }}

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2、时间片论法

介于前后台顺序执行法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(uCOSFreeRTOSRTThreadRTX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:

嵌入式软件开发常用的三种架构你知道吗?

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。

原文链接:https://blog.csdn.net/qq_24130227/article/details/87537036

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https://mp.weixin.qq.com/s/vEBGeqK0BAAyvN3_XxmWgg

转载自:果果小师弟 ,作者智果君

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