工程師實(shí)戰(zhàn)：單片機(jī)裸機(jī)程序框架是怎樣煉成的？
前言
前不久，我有位做測試的朋友轉(zhuǎn)去做開發(fā)的工作，面試遇到了一個(gè)問題，他沒明白，打電話問了我。題目大概就是：
在單片機(jī)裸機(jī)開發(fā)時(shí)，單片機(jī)要處理多個(gè)任務(wù)，此時(shí)你的程序框架是怎樣的呢？
這其實(shí)是個(gè)經(jīng)典面試問題，我以前面試也被問過。
答案一：輪詢系統(tǒng)
代碼結(jié)構(gòu)如：
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int main(void)
{
init_something();
while(1)
{
do_something1();
do_something2();
do_something3();
}
}
這種結(jié)構(gòu)大概是我們初學(xué)單片機(jī)的時(shí)候的代碼結(jié)構(gòu)。在沒有外部事件驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以較好使用。
只答出了這種情況，印象分估計(jì)會(huì)比較低，多半涼涼。
答案二：前后臺系統(tǒng)
代碼結(jié)構(gòu)如（該代碼來自 《RT-Thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐指南》 ）：
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int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;
int main(void)
{
/* 硬件相關(guān)初始化 */
HardWareInit();
/* 無限循環(huán) */
for (;;) {
if (flag1) {
/* 處理事情 1 */
DoSomething1();
}
if (flag2) {
/* 處理事情 2 */
DoSomethingg2();
}
if (flag3) {
/* 處理事情 3 */
DoSomethingg3();
}
}
}
void ISR1(void)
{
/* 置位標(biāo)志位 */
flag1 = 1;
/* 如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺處理 */
DoSomething1();
}
void ISR2(void)
{
/* 置位標(biāo)志位 */
flag2 = 2;
/* 如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺處理 */
DoSomething2();
}
void ISR3(void)
{
/* 置位標(biāo)志位 */
flag3 = 1;
/* 如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺處理 */
DoSomething3();
}
此處，中斷稱為前臺，main中的while循環(huán)稱為后臺。相比于循環(huán)系統(tǒng)，這種方式相對可以提高外部事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
可以回答出這種情況，印象分大概一半以上，會(huì)再細(xì)問。
答案三：升級版前后臺系統(tǒng)（軟件定時(shí)器法）
以前，學(xué)C語言時(shí)，常常聽到有人說：指針是C語言的靈魂，沒學(xué)會(huì)指針就是沒學(xué)會(huì)C語言。。
后來，學(xué)單片機(jī)時(shí)，又聽到有人說：中斷和定時(shí)器是單片機(jī)的靈魂，沒掌握中斷與定時(shí)器就沒學(xué)會(huì)單片機(jī)。。
大佬們都那么說了，那就拿定時(shí)器來搞點(diǎn)事情。定時(shí)器渾身都是寶，本篇筆記我們來介紹使用定時(shí)器（系統(tǒng)滴答定時(shí)器或者其它定時(shí)器）來做的裸機(jī)框架。軟件定時(shí)器法也有另一種說法：時(shí)間片輪詢法。
可以回答出這種情況，這場面試多半穩(wěn)了。
下面以STM32單片機(jī)為例看看這種方法的使用。
站在巨人的肩膀上
開源項(xiàng)目—— MultiTimer ，項(xiàng)目倉庫地址：
https://github.com/0x1abin/MultiTimer
1、MultiTimer 簡介
MultiTimer 是一個(gè)軟件定時(shí)器擴(kuò)展模塊，可無限擴(kuò)展你所需的定時(shí)器任務(wù)，取代傳統(tǒng)的標(biāo)志位判斷方式， 更優(yōu)雅更便捷地管理程序的時(shí)間觸發(fā)時(shí)序。
2、MultiTimer 的demo
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#include "multi_timer.h"
struct Timer timer1;
struct Timer timer2;
void timer1_callback()
{
printf("timer1 timeout!\r\n");
}
void timer2_callback()
{
printf("timer2 timeout!\r\n");
}
int main()
{
timer_init(&timer1, timer1_callback, 1000, 1000); //1s loop
timer_start(&timer1);
timer_init(&timer2, timer2_callback, 50, 0); //50ms delay
timer_start(&timer2);
while(1) {
timer_loop();
}
}
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
timer_ticks(); //1ms ticks
}
3、MultiTimer 的移植、剖析
想要對MultiTimer 進(jìn)行深入學(xué)習(xí)可閱讀項(xiàng)目源碼及如下這篇文章：
第6期 | MultiTimer，一款可無限擴(kuò)展的軟件定時(shí)器
自己動(dòng)手，豐衣足食
1、代碼模板
準(zhǔn)備一個(gè)定時(shí)器，可以是系統(tǒng)滴答定時(shí)器，也可以是TIM定時(shí)器，使用這個(gè)定時(shí)器拓展出多個(gè)軟件定時(shí)器。
比如我們系統(tǒng)中有三個(gè)任務(wù)：LED翻轉(zhuǎn)、溫度采集、溫度顯示。此時(shí)我們可以使用一個(gè)硬件定時(shí)器拓展出3個(gè)軟件定時(shí)器，定義如下宏定義：
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#define MAX_TIMER 3 // 最大定時(shí)器個(gè)數(shù)
EXT volatile unsigned long g_Timer1[MAX_TIMER];
#define LedTimer g_Timer1[0] // LED翻轉(zhuǎn)定時(shí)器
#define GetTemperatureTimer g_Timer1[1] // 溫度采集定時(shí)器
#define SendToLcdTimer g_Timer1[2] // 溫度顯示定時(shí)器
#define TIMER1_SEC (1) // 秒
#define TIMER1_MIN (TIMER1_SEC*60) // 分
在定時(shí)器初始化的時(shí)候也順便給三個(gè)軟件定時(shí)器進(jìn)行初始化操作：
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/********************************************************************************************************
** 函數(shù): TIM1_Init, 通用定時(shí)器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 參數(shù): arr：自動(dòng)重裝值 psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)
** 說明: 定時(shí)器溢出時(shí)間計(jì)算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft
** 返回: void
********************************************************************************************************/
void TIM1_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
/* 定時(shí)器TIM1初始化 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_ClearFlag(TIM1,TIM_FLAG_Update );
/* 中斷使能 */
TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update, ENABLE );
/* 中斷優(yōu)先級NVIC設(shè)置 */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
// 全局定時(shí)器初始化
for(int i = 0; i < MAX_TIMER; i++)
{
g_Timer1[i] = 0;
}
}
在定時(shí)器中斷中對這些軟件定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)值做遞減操作：
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/********************************************************************************************************
** 函數(shù): TIM1_IRQHandler, 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 參數(shù): 無
** 返回: 無
********************************************************************************************************/
void TIM1_UP_IRQHandler(void) //TIM1中斷
{
uint8 i;
if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) != RESET) // 檢查TIM1更新中斷發(fā)生與否
{
//-------------------------------------------------------------------------------
// 各種定時(shí)間器計(jì)時(shí)
for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) // 定時(shí)時(shí)間遞減
if( g_Timer1[i] ) g_Timer1[i]-- ;
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除TIMx更新中斷標(biāo)志
}
}
我們在各個(gè)定時(shí)任務(wù)中給這些軟件定時(shí)器賦予定時(shí)值，這些定時(shí)值遞減到0則該任務(wù)會(huì)被觸發(fā)執(zhí)行，比如：
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void Task_Led(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 1 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// LED任務(wù)主體
LedToggle();
}
void Task_GetTemperature(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 溫度采集任務(wù)主體
GetTemperature();
}
void Task_SendToLcd(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時(shí)時(shí)間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 溫度顯示任務(wù)主體
LcdDisplay();
}
如此一來，每過1、2、4秒則分別觸發(fā)LED翻轉(zhuǎn)任務(wù)、溫度采集任務(wù)、溫度顯示任務(wù)。
這里配置的最小定時(shí)單位為1秒，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置（定時(shí)器初始化），定時(shí)器初始化可以放在系統(tǒng)統(tǒng)一初始化函數(shù)里：
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/********************************************************************************************************
** 函數(shù): SysInit, 系統(tǒng)上電初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 參數(shù):
** 說明:
** 返回:
********************************************************************************************************/
void SysInit(void)
{
CpuInit(); // 配置系統(tǒng)信息函數(shù)
SysTickInit(); // 系統(tǒng)滴答定時(shí)器初始化函數(shù)
UsartInit(115200); // 串口初始化函數(shù)，波特率115200
TIM1_Init(2000-1, 36000-1); // 定時(shí)周期1s
LedInit(); // Led初始化
TemperatureInit(); // 溫度傳感器初始化
LcdInit(); // LCD初始化
}
此時(shí)我們的main函數(shù)就可以設(shè)計(jì)為：
int main(void)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 上電初始化函數(shù)
SysInit();
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 主程序
while (1)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 定時(shí)任務(wù)
Task_Led();
Task_GetTemperature();
Task_SendToLcd();
}
}
主函數(shù)主要是進(jìn)行系統(tǒng)上電的一些初始化操作，接著是調(diào)用各定時(shí)任務(wù)函數(shù)。
本demo使用定時(shí)器1來擴(kuò)展出3個(gè)軟件定時(shí)器，如果TIM資源不夠用，可以換用系統(tǒng)滴答定時(shí)器來做。如：
其中，時(shí)間基數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。
2、實(shí)踐（代入法）
套用以上模板，分享我的一個(gè)實(shí)例：
需要思考及注意的問題是給每個(gè)任務(wù)的定時(shí)值設(shè)置多大合適？這也是一些朋友有疑問的，這只能是自己對自己的任務(wù)做考慮，具體情況具體分析，給經(jīng)驗(yàn)值、調(diào)試調(diào)整。
就如同常常有人問定義多大的數(shù)組合適？在使用RTOS時(shí)每個(gè)線程的線程棧大小設(shè)置多大合適、優(yōu)先級設(shè)置為多少合適？這些都是需要我們自己進(jìn)行思考的。
有模板/輪子套用是好事，但有些問題不能單單依靠模板，否則有可能把自己給套進(jìn)去。
以上是以STM32為例的，其它單片機(jī)也是可以用這樣子的思想的，包括51單片機(jī)。
面對文首提到的面試問題，若是可以提到使用軟件定時(shí)器來處理，進(jìn)一步能清楚地表達(dá)出來，再進(jìn)一步能寫出一些偽代碼，那這場面試多半是穩(wěn)了。
不僅僅是為了面試，本文的方法是很經(jīng)典的，小編曾經(jīng)接觸的產(chǎn)品項(xiàng)目中就有用到，很實(shí)用，值得學(xué)習(xí)掌握。方法掌握多了，實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候想用屠龍刀還是倚天劍根據(jù)實(shí)際情況選擇使用即可。
以上就是本次的分享，如有錯(cuò)誤，歡迎指出，謝謝。
-END-
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載嵌入式大雜燴，作者：ZhengNL
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