嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)-任務(wù)調(diào)度
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1、前言
在嵌入式MCU軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，程序任務(wù)調(diào)度架構(gòu)的搭建尤為重要，直接關(guān)系到該程序能支持多少功能（隨著功能越多系統(tǒng)響應(yīng)能力越弱，好的任務(wù)調(diào)度架構(gòu)能夠在保持相同的系統(tǒng)響應(yīng)能力前提下支持更多的功能），下面介紹三種常用的程序任務(wù)調(diào)度框架設(shè)計(jì)方案：
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前后臺(tái)順序執(zhí)行法
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時(shí)間片論法
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操作系統(tǒng)
2、程序框架設(shè)計(jì)
前后臺(tái)順序執(zhí)行法
這是初學(xué)者們常用的程序框架設(shè)計(jì)方案，不用考慮太多東西，代碼簡(jiǎn)單，或者對(duì)系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性和并發(fā)性要求不高；初始化后通過(guò) while(1){ } 或 for(;;){ } 循環(huán)不斷調(diào)用自己編寫(xiě)完成的函數(shù)，也基本不考慮每個(gè)函數(shù)執(zhí)行所需要的時(shí)間，大部分情況下函數(shù)中或多或少都存在毫秒級(jí)別的延時(shí)等待。
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這是最容易也是最直觀的程序架構(gòu)，邏輯簡(jiǎn)單明了，適用于邏輯簡(jiǎn)單，復(fù)雜度比較低的軟件開(kāi)發(fā)。
缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性低，由于每個(gè)函數(shù)或多或少存在毫秒級(jí)別的延時(shí)，即使是1ms，也會(huì)造成其他函數(shù)間隔執(zhí)行時(shí)間的不同，雖然可通過(guò)定時(shí)器中斷的方式，但是前提是中斷執(zhí)行函數(shù)花的時(shí)間必須短。當(dāng)程序邏輯復(fù)雜度提升時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后來(lái)維護(hù)人員的大腦混亂，很難理清楚該程序的運(yùn)行狀態(tài)。
以下是我在學(xué)校期間做的寢室防盜系統(tǒng)的主函數(shù)代碼（當(dāng)時(shí)也存在部分BUG，沒(méi)有解決。現(xiàn)在再看，其實(shí)很多問(wèn)題，而且比較嚴(yán)重，比如中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)竟然有3000ms延時(shí)，這太可怕了，還有串口發(fā)送等等；由于實(shí)時(shí)性要求不算太高，因此主函數(shù)中的毫秒級(jí)別延時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行沒(méi)有多大影響，當(dāng)然除BUG外；若是后期需要維護(hù)，那就是一個(gè)大工程，還不如推翻重寫(xiě)）：
int main(void) { u8 temperature; u8 humidity; int a; delay_init(); uart2_Init(9600); TIM3_Int_Init(4999,7199); ds1302_init(); while(DHT11_Init()); //DHT11初始化 a1602_init(); lcd12864_INIT(); LcdInit(); 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(); //讀取ds1302的日期時(shí)間 shi=At24c02Read(0); //讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù) delay_ms(10); fen=At24c02Read(1); //讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù) usart2_scan(); //藍(lán)牙數(shù)據(jù)掃描 usart2_bian(); //藍(lán)牙處理數(shù)據(jù) nao_scan(); k++; if(k<20) { if(k==1) LcdWriteCom(0x01); //清屏 LcdDisplay(); //顯示日期時(shí)間 } if(RED==0) RED_Scan(); if(k>=20&&k<30) { if(k==20) LcdWriteCom(0x01); //清屏 Lcddisplay(); //顯示溫濕度 LcdWriteCom(0x80+6); DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity); //讀取溫濕度值 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(); //顯示防盜鬧鐘狀態(tài) } } //定時(shí)器3中斷服務(wù)程序 void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中斷 { int i; if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //檢查T(mén)IM3更新中斷發(fā)生與否 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); //清除TIMx更新中斷標(biāo)志 if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0) //時(shí)間一到鬧鐘響起 { f=1; } 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發(fā)送數(shù)據(jù) while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束 USART_RX_STA=0; } delay_ms(3000); for(i=0;i<3;i++) { USART_SendData(USART1, num1[i]);//向串口1發(fā)送數(shù)據(jù) while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束 USART_RX_STA=0; } } } }
時(shí)間片論法
介于“前后臺(tái)順序執(zhí)行法”和“操作系統(tǒng)”之間的一種程序架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案需能幫助嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者更上一層樓，在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若遇到以下幾點(diǎn)，那么該設(shè)計(jì)方案可以說(shuō)是最優(yōu)選擇，適用于程序較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)；
目前的需求設(shè)計(jì)需要完全沒(méi)有必要上操作系統(tǒng)
任務(wù)函數(shù)無(wú)需時(shí)刻執(zhí)行，存在間隔時(shí)間（比如按鍵，一般情況下，都需要軟件防抖，初學(xué)者的做法通常是延時(shí)10ms左右再去判斷，但10ms極大浪費(fèi)了CPU的資源，在這段時(shí)間內(nèi)CPU完全可以處理很多其他事情）
實(shí)時(shí)性有一定的要求
該設(shè)計(jì)方案需要使用一個(gè)定時(shí)器，一般情況下定時(shí)1ms即可（定時(shí)時(shí)間可隨意定，但中斷過(guò)于頻繁效率就低，中斷太長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差），因此需要考慮到每個(gè)任務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，建議不能超過(guò)1ms（能通過(guò)程序優(yōu)化縮短執(zhí)行時(shí)間則最好優(yōu)化，如果不能優(yōu)化的，則必須保證該任務(wù)的執(zhí)行周期必須遠(yuǎn)大于任務(wù)所執(zhí)行的耗時(shí)時(shí)間），同時(shí)要求主循環(huán)或任務(wù)函數(shù)中不能存在毫秒級(jí)別的延時(shí)。
如何確定每個(gè)函數(shù)的任務(wù)周期呢？根據(jù)任務(wù)的耗時(shí)和效果決定、如按鍵掃描任務(wù)周期為 10ms（為了提高響應(yīng)），指示燈控制任務(wù)周期為 100ms（通常情況下最高100ms的閃爍頻率正好，特殊需求除外），LCD/OLED 顯示周期為 100ms（通過(guò)這種通過(guò)SPI/IIC等接口的方式耗時(shí)大約在 1~10ms，甚至更長(zhǎng)，所以任務(wù)周期必須遠(yuǎn)大于耗時(shí)，同時(shí)為了滿足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太長(zhǎng)，100ms 的任務(wù)周期比較合適）等
以下介紹兩種不同的實(shí)現(xiàn)方案，分別針對(duì)無(wú)函數(shù)指針概念的朋友和想進(jìn)一步學(xué)習(xí)的朋友。
① 無(wú)函數(shù)指針的設(shè)計(jì)方式
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首先定義計(jì)時(shí)標(biāo)志變量，以1毫秒為時(shí)間片，在定時(shí)器中斷函數(shù)中累計(jì)計(jì)時(shí)，同時(shí)將對(duì)應(yīng)時(shí)間標(biāo)識(shí)置1 。
void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) { 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); }
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然后在主函數(shù)循環(huán)中判斷時(shí)間標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)被置1則代表時(shí)間已到，可以執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，全部執(zhí)行完畢后將標(biāo)識(shí)置0 ，等待下次觸發(fā)。
int main(void) { System_Init(); while (1) { if (TIM_1msFlag) { CAN_CommTask();// CAN通信任務(wù) TIM_1msFlag = 0; } if (TIM_10msFlag) { KEY_ScanTask();// 按鍵掃描任務(wù) Hmi_Task();// 人機(jī)交互任務(wù) TIM_10msFlag = 0; } if (TIM_100msFlag) { LED_CtrlTask();// 指示燈任務(wù) TIM_100msFlag = 0; } if (TIM_1secFlag) { WDog_Task();// 喂狗任務(wù) TIM_1secFlag = 0; } } }
② 含函數(shù)指針的設(shè)計(jì)方式
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定義含有函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)體，用來(lái)指向需要周期執(zhí)行的函數(shù)。
typedef struct{ uint8 m_runFlag;/*!< 程序運(yùn)行標(biāo)記：0-不運(yùn)行，1運(yùn)行 */ uint16 m_timer;/*!< 計(jì)時(shí)器 */ uint16 m_itvTime;/*!< 任務(wù)運(yùn)行間隔時(shí)間 */ void (*m_pTaskHook)(void);/*!< 要運(yùn)行的任務(wù)函數(shù) */ } TASK_InfoType;
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實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針任務(wù)基本調(diào)度功能：任務(wù)調(diào)度管理和任務(wù)調(diào)度執(zhí)行 。
/** * @brief 任務(wù)函數(shù)運(yùn)行調(diào)度管理. */ 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 任務(wù)函數(shù)調(diào)度執(zhí)行. */ void TASK_Process(void) { uint8 i; for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++) { if (sg_tTaskInfo[i].m_runFlag) { sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook(); // 運(yùn)行任務(wù) sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 0; // 標(biāo)志清0 } } }
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分別在定時(shí)器中斷函數(shù)和主函數(shù)中調(diào)用任務(wù)調(diào)度管理和任務(wù)調(diào)度執(zhí)行 。
int main(void) { System_Init(); while (1) { TASK_Process(); } } /** * @brief 定時(shí)器3中斷服務(wù)函數(shù). */ void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) { TASK_Remarks(); } TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); }
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添加需要執(zhí)行的任務(wù)函數(shù)即可。
#define TASKS_MAX 5 // 定義任務(wù)數(shù)目 /** 任務(wù)函數(shù)相關(guān)信息 */ static TASK_InfoType sg_tTaskInfo[TASKS_MAX] = { {0, 1, 1, CAN_CommTask}, // CAN通信任務(wù) {0, 10, 10, KEY_ScanTask}, // 按鍵掃描任務(wù) {0, 10, 10, LOGIC_HandleTask}, // 邏輯處理任務(wù) {0, 100, 100, LED_CtrlTask},// 指示燈控制任務(wù) {0, 1000, 1000, WDog_Task}, // 喂狗任務(wù) };
操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded OperatingSystem)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域，而對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，比較常用的有 UCOS、FreeRTOS、RT-Thread Nano 和 RTX 等多種搶占式操作系統(tǒng)（其他如 Linux 等操作系統(tǒng)不適用于單片機(jī)）
操作系統(tǒng)和“時(shí)間片論法”，在任務(wù)執(zhí)行方面來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)對(duì)每個(gè)任務(wù)的耗時(shí)沒(méi)有過(guò)多的要求，需要通過(guò)設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，在高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒時(shí)，會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；操作系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，因此這里沒(méi)有詳細(xì)介紹了。
關(guān)于如何選擇合適的操作系統(tǒng)（[RTOS]uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX等RTOS的對(duì)比之特點(diǎn)）：
UCOS：網(wǎng)上資料豐富，非常適合學(xué)習(xí)，但是在產(chǎn)品上使用則需要收費(fèi)
FreeRTOS：使用免費(fèi)，因此很多產(chǎn)品都在用
RT-Thread：國(guó)產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，有著十分豐富的組件，也免費(fèi)，資料：RT-Thread 文檔中心
RTX：為ARM和Cortex-M設(shè)備設(shè)計(jì)的免版稅，確定性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
借網(wǎng)上一張對(duì)比圖：
3、總結(jié)
從上述的對(duì)比中可以看出，時(shí)間片輪詢(xún)法的優(yōu)勢(shì)還是比較大的，它既有前后臺(tái)順序執(zhí)行法的優(yōu)點(diǎn)，也有操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)清晰，簡(jiǎn)單，非常容易理解，所以這種是比較常用的單片機(jī)設(shè)計(jì)框架。
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