單片機基本結(jié)構(gòu)及常用程序運行構(gòu)架

單片機程序基本構(gòu)架及實現(xiàn)Kerwin2019.11.202021/5/91目錄一、總述二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.1 順序結(jié)構(gòu)2.2 分支結(jié)構(gòu)2.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.1 簡單順序執(zhí)行法3.2 時間片輪詢法3.3 操作系統(tǒng)(略)2021/5/92一、總述

單片機程序普遍采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，任何復(fù)雜的程序都是由順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)這三種基本結(jié)構(gòu)組成。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計可以使程序結(jié)構(gòu)清晰、易于讀寫和驗證，可靠性高。而軟件構(gòu)架，似乎只有純上位機才有，其實，單片機軟件也有構(gòu)架可言，只有好的構(gòu)架，才能結(jié)構(gòu)清晰，方便開發(fā)和讓系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。單片機程序執(zhí)行構(gòu)架而言，分為：順序執(zhí)行程序、時間片輪詢法執(zhí)行程序和操作系統(tǒng)等。本文將以應(yīng)廣單片機為例(本文無意穿插廣告)，詳細講述單片機程序的結(jié)構(gòu)，以及運行構(gòu)架。2021/5/93二、程序的基本結(jié)構(gòu)程序基本結(jié)構(gòu)2021/5/94二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.1 順序結(jié)構(gòu)、它是最簡單、最基本的程序結(jié)構(gòu)，其特點是按指令的排列順序逐條執(zhí)行，直到全部執(zhí)行完為止，如右圖。無論多么簡單或復(fù)雜的程序，都離不開這種形式。EX：簡單的順序結(jié)構(gòu)流水燈LED = 0B1111_1110;.delay 1000000LED = 0B1111_1101;.delay 1000000……LED = 0B0111_1111;while(1) NOP;2021/5/95二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.2 分支結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)只解決一些簡單的運算、邏輯處理等。實際控制MCU往往要求CPU能根據(jù)給定的條件進行判斷，再選擇不同的處理路徑，從而表現(xiàn)出某種智能。這時候就要求改變程序的執(zhí)行順序，即程序的流向有兩個或兩個以上，這種程序結(jié)構(gòu)稱為分支程序結(jié)構(gòu)。分支程序結(jié)構(gòu)的特點是程序根據(jù)不同條件，進行判斷和跳轉(zhuǎn)。如右圖2021/5/96二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.2 分支結(jié)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)根據(jù)分支數(shù)出口的多寡分為單分支結(jié)構(gòu)和多分支結(jié)構(gòu)。單分支程序結(jié)構(gòu)如右圖：EX：if(Key==1) goto @F; //跳到下一處@@處$LED Toggle;.delay 1000000;@@:NOP;2021/5/97二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.2 分支結(jié)構(gòu)多分支程序結(jié)構(gòu)如右圖：EX：switch(State){case1:分支程序1；break;case2：分支程序2；break;……default:break;}2021/5/98二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用程序中，有時需要多次反復(fù)執(zhí)行相同的操作，只是操作的操作數(shù)(數(shù)據(jù))不同，這是就可以采用循環(huán)程序結(jié)構(gòu)。循環(huán)程序可以顯著縮短程序，減少程序所占存儲空間(ROM)，使程序結(jié)構(gòu)大大優(yōu)化。循環(huán)程序一般包括4個部分：（1）設(shè)置循環(huán)初值

進入循環(huán)前要對循環(huán)次數(shù)等賦初值（2）循環(huán)處理

即循環(huán)體部分，是循環(huán)結(jié)構(gòu)的主題部分（3）循環(huán)修改

每次循環(huán)后對參數(shù)進行修改，載入不同操作數(shù)，

為進入下一次循環(huán)做準備（4）循環(huán)控制

對循環(huán)結(jié)束條件進行判斷，及時結(jié)束循環(huán)2021/5/99二、程序的基本結(jié)構(gòu)2.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)如有圖是兩種常見的循環(huán)結(jié)構(gòu)。即先執(zhí)行后判斷和先判斷后執(zhí)行。EX：簡單的流水燈PBC=0xFF;PB=~0x01;Byte Icnt = 7;D0{PB<<=1;PB |= 0x01;.delay 100000;Icnt--;}while(Icnt)2021/5/910三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.1 前后臺順序執(zhí)行法大多數(shù)人使用的方法，不需要思考程序具體構(gòu)架，直接通過執(zhí)行循序編寫應(yīng)用程序即可。前后臺程序一般是指沒有“操作系統(tǒng)”的程序。所謂的前臺，就是主動去判斷處理某個事務(wù)，這個是主循環(huán)里要做的事，也就是你代碼主要要寫的。所謂的后臺，指的是：中斷，也就是不需要你的CPU去判別，就會自動進入某一種狀態(tài)，你在這個狀態(tài)下做你要做的事就可以了。這種方法大多數(shù)人都會采用，而且我們接受的教育也基本都是使用此法。對于我們這些基本沒有學(xué)習(xí)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序架構(gòu)的單片機工程師來說，無疑很難在應(yīng)用程序的設(shè)計上有一個很大的提高，也導(dǎo)致了不同工程師編寫的應(yīng)用程序很難相互利于和學(xué)習(xí)。對一些比較簡單的應(yīng)用程序，實時性，并行性要求不太高的情況下是不錯的方法，程序設(shè)計簡單，思路比較清晰。但是當應(yīng)用程序比較復(fù)雜的時候，如果沒有一個完整的流程圖，恐怕別人很難看懂程序的運行狀態(tài)，而且隨著程序功能的增加，編寫應(yīng)用程序的工程師的大腦也開始混亂。即不利于升級維護，也不利于代碼優(yōu)化。2021/5/911三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.1 前后臺順序執(zhí)行法如果喜歡使用此法的同學(xué)，如果編寫比較復(fù)雜的應(yīng)用程序，一定要先理清頭腦，設(shè)計好完整的流程圖再編寫程序，否則后果很嚴重。當然應(yīng)該程序本身很簡單，此法還是一個非常必須的選擇。2021/5/912三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.1 前后臺順序執(zhí)行法EX：void FPPA0(void){Init();while(1){Task1();Task2();if(state==x) TaskX();}}voidInterrupt(void){TaskN();}2021/5/913三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法此法是介于前后臺順序執(zhí)行法與操作系統(tǒng)之間的一種方法，很多人剛開始用此法會遇到很多問題，甚至覺得還是需要操作系統(tǒng)才能實現(xiàn)真正的任務(wù)及編程。對于有操作系統(tǒng)的程序(如PC程序)，我們并不需要了解任務(wù)之間的切換。我們只需劃分好任務(wù)，以及任務(wù)之間通訊就可以了。但是時間片輪詢法中所有的的任務(wù)之間的通訊，任務(wù)之間的切換等等都要程序員來實現(xiàn)，所以注意的問題也比較多。下面著重討論，使用此法應(yīng)該注意哪些問題，才能實現(xiàn)真正的任務(wù)級編程。2021/5/914三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法注意事項：1.任務(wù)的劃分：任務(wù)一定要劃分的非常合理，盡量做到任務(wù)的相對獨立；2.任務(wù)的優(yōu)先：一定要注意任務(wù)優(yōu)先級的設(shè)計，把需要及時處理的任務(wù)排到任務(wù)的最前面；3.任務(wù)的執(zhí)行：任務(wù)的執(zhí)行一定要盡量的快，一定要保證在毫秒級，否則任務(wù)還沒執(zhí)行完，其他任務(wù)都再等，就到不到實時系統(tǒng)的要求，也談不上多任務(wù)了；4.時間的劃分：時間片的劃分是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，一定要保證任務(wù)在需要執(zhí)行的時候能夠進入該執(zhí)行的任務(wù)中，否則就不能實現(xiàn)真正的時間片輪詢了。以上描述比較抽象，下面分別討論2021/5/915三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法1.任務(wù)的劃分：任務(wù)的劃分并不難，你需要先全面的了解你的項目是要實現(xiàn)什么功能，把其劃分成多個功能模塊，每一個模塊就是一個任務(wù)，每一個任務(wù)對應(yīng)一個函數(shù)。例如一個時鐘產(chǎn)品，一般由：按鍵、顯示、時間、鬧鈴、菜單(設(shè)置/查詢等)等組成。那么我們可以把其劃分成5個任務(wù)。2021/5/916三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法2.任務(wù)的優(yōu)先：同樣通過以上事例來說明任務(wù)優(yōu)先級，可能劃分的方法有很多種，而且看不出很大的區(qū)別，這里列出一種比較合理的方式：A.時間，這里的時間就是從時鐘芯片中獲取時間；B.鬧鈴，獲取時間后應(yīng)該首先判斷是否是設(shè)置的鬧鈴時間，如果是就進行鬧鈴提示，否則，退出執(zhí)行下一個任務(wù)；C.顯示，顯示時間，如果有鬧鈴，則顯示鬧鈴標志；D.按鍵，判斷是否有按鍵，如果有就進入相應(yīng)的操作；E.菜單，通過按鍵進入相應(yīng)的菜單，如果沒有按鍵，就不執(zhí)行菜單任務(wù)直接退出。2021/5/917三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法2.任務(wù)的優(yōu)先：這就是整個時鐘產(chǎn)品需要實現(xiàn)的整個過程，任務(wù)之間的通訊已經(jīng)任務(wù)之間的相互制約都是通過全局變量實現(xiàn)的，例如進入時間設(shè)置等時，就沒有有必要實現(xiàn)時間的讀取，鬧鈴的判斷，以及時間的顯示。這時只需要執(zhí)行按鍵任務(wù)以及菜單任務(wù)即可，直至退出為止。這里需要說明的是不執(zhí)行的任務(wù)是在判斷任務(wù)執(zhí)行情況后不具體執(zhí)行任務(wù)代碼，并不是一直在菜單程序中死等等，直至菜單退出。因為那樣的話就不是真正的多任務(wù)級了，也談不上時間片了。2021/5/918三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法3.任務(wù)的執(zhí)行：任務(wù)的執(zhí)行一定要盡量的快，一定不能因為某個任務(wù)需要等等特殊的東西，而影響的其他任務(wù)，也不能在任務(wù)中調(diào)用大的延時函數(shù)，一定要保證任務(wù)的運行速度，要知道每一個任務(wù)的具體執(zhí)行時間。例如上例中，絕對不能因為等等按鍵的釋放而導(dǎo)致其他任務(wù)的不運行。那么怎么消抖呢？這個方法有很多，你可要通過利用兩次按鍵任務(wù)是時間實現(xiàn)消抖，例如第一按鍵后，你做個標志，表示有鍵，但是不執(zhí)行菜單，可要通過第二次進入按鍵任務(wù)判斷，是否是按鍵的按鍵，還是誤按，這種情況下就必須要保證按鍵任務(wù)的運行時間在消抖也許的時間內(nèi)容，例如20ms。再例如：在應(yīng)用GPRS時，由于GPRS發(fā)送指令到接收到應(yīng)答的時間都是秒級的，所以一定不能發(fā)完指令后，一定要等到應(yīng)答才執(zhí)行下一個任務(wù)，而是通過雙線程的思想，把GPRS的發(fā)送和接收分為兩條線，一條發(fā)，一條接，而這兩條線之間都是同樣全局變量來連線。每次進入GPRS任務(wù)時都判斷是否由發(fā)送和接收，如果有發(fā)送就發(fā)送，有接收就判斷是否為上次發(fā)送的應(yīng)答，如果是就可以繼續(xù)發(fā)送了，否則繼續(xù)等待應(yīng)答的接收，以最快的速度實現(xiàn)任務(wù)的執(zhí)行。2021/5/919三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法4.時間的劃分：時間片的劃分尤為重要，需要保證每一任務(wù)都能在該執(zhí)行的時間內(nèi)運行。就以時鐘事例來說，顯示和獲取時鐘一般一秒一次就可以了(如果是數(shù)碼管動態(tài)掃描可能會更快)。當然在系統(tǒng)允許的情況下可以盡量多允許幾次，但一定最低的允許次數(shù)。像按鍵可以使用20ms作為任務(wù)的時間片，因為一般按鍵的消抖時間為20ms，那么時間片劃分為20ms完全可以保證即不漏掉按鍵，也不會誤讀按鍵。2021/5/920三、單片機程序執(zhí)行構(gòu)架3.2 時間片輪詢法的實現(xiàn)(以應(yīng)廣單片機為例)⑴對任務(wù)總數(shù)(圖中以8個為例)、時間片最小單位、運行間隔、相關(guān)任務(wù)定時計數(shù)器、運行標志，及任務(wù)函數(shù)進行定義2021/5/921三、