工程師實戰(zhàn)：單片機裸機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，面試遇到了一個問題，他沒明白，打電話問了我。題目大概就是：
在單片機裸機開發(fā)時，單片機要處理多個任務，此時你的程序框架是怎樣的呢？
這其實是個經(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)構如：
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int main(void)
{
init_something();
while(1)
{
do_something1();
do_something2();
do_something3();
}
}
這種結(jié)構大概是我們初學單片機的時候的代碼結(jié)構。在沒有外部事件驅(qū)動時，可以較好使用。
只答出了這種情況，印象分估計會比較低，多半涼涼。
答案二：前后臺系統(tǒng)
代碼結(jié)構如（該代碼來自 《RT-Thread內(nèi)核實現(xiàn)與應用開發(fā)實踐指南》 ）：
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int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;
int main(void)
{
/* 硬件相關初始化 */
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)
{
/* 置位標志位 */
flag1 = 1;
/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */
DoSomething1();
}
void ISR2(void)
{
/* 置位標志位 */
flag2 = 2;
/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */
DoSomething2();
}
void ISR3(void)
{
/* 置位標志位 */
flag3 = 1;
/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，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時響應能力。
可以回答出這種情況，印象分大概一半以上，會再細問。
答案三：升級版前后臺系統(tǒng)（軟件定時器法）
以前，學C語言時，常常聽到有人說：指針是C語言的靈魂，沒學會指針就是沒學會C語言。。
后來，學單片機時，又聽到有人說：中斷和定時器是單片機的靈魂，沒掌握中斷與定時器就沒學會單片機。。
大佬們都那么說了，那就拿定時器來搞點事情。定時器渾身都是寶，本篇筆記我們來介紹使用定時器（系統(tǒng)滴答定時器或者其它定時器）來做的裸機框架。軟件定時器法也有另一種說法：時間片輪詢法。
可以回答出這種情況，這場面試多半穩(wěn)了。
下面以STM32單片機為例看看這種方法的使用。
站在巨人的肩膀上
開源項目—— MultiTimer ，項目倉庫地址：
https://github.com/0x1abin/MultiTimer
1、MultiTimer 簡介
MultiTimer 是一個軟件定時器擴展模塊，可無限擴展你所需的定時器任務，取代傳統(tǒng)的標志位判斷方式， 更優(yōu)雅更便捷地管理程序的時間觸發(fā)時序。
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 進行深入學習可閱讀項目源碼及如下這篇文章：
第6期 | MultiTimer，一款可無限擴展的軟件定時器
自己動手，豐衣足食
1、代碼模板
準備一個定時器，可以是系統(tǒng)滴答定時器，也可以是TIM定時器，使用這個定時器拓展出多個軟件定時器。
比如我們系統(tǒng)中有三個任務：LED翻轉(zhuǎn)、溫度采集、溫度顯示。此時我們可以使用一個硬件定時器拓展出3個軟件定時器，定義如下宏定義：
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#define MAX_TIMER 3 // 最大定時器個數(shù)
EXT volatile unsigned long g_Timer1[MAX_TIMER];
#define LedTimer g_Timer1[0] // LED翻轉(zhuǎn)定時器
#define GetTemperatureTimer g_Timer1[1] // 溫度采集定時器
#define SendToLcdTimer g_Timer1[2] // 溫度顯示定時器
#define TIMER1_SEC (1) // 秒
#define TIMER1_MIN (TIMER1_SEC*60) // 分
在定時器初始化的時候也順便給三個軟件定時器進行初始化操作：
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/********************************************************************************************************
** 函數(shù): TIM1_Init, 通用定時器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 參數(shù): arr：自動重裝值 psc：時鐘預分頻數(shù)
** 說明: 定時器溢出時間計算方法: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);
// 全局定時器初始化
for(int i = 0; i < MAX_TIMER; i++)
{
g_Timer1[i] = 0;
}
}
在定時器中斷中對這些軟件定時器進行定時值做遞減操作：
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/********************************************************************************************************
** 函數(shù): TIM1_IRQHandler, 定時器1中斷服務程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 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
{
//-------------------------------------------------------------------------------
// 各種定時間器計時
for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++) // 定時時間遞減
if( g_Timer1[i] ) g_Timer1[i]-- ;
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); //清除TIMx更新中斷標志
}
}
我們在各個定時任務中給這些軟件定時器賦予定時值，這些定時值遞減到0則該任務會被觸發(fā)執(zhí)行，比如：
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void Task_Led(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時時間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 1 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// LED任務主體
LedToggle();
}
void Task_GetTemperature(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時時間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 溫度采集任務主體
GetTemperature();
}
void Task_SendToLcd(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定時時間
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 溫度顯示任務主體
LcdDisplay();
}
如此一來，每過1、2、4秒則分別觸發(fā)LED翻轉(zhuǎn)任務、溫度采集任務、溫度顯示任務。
這里配置的最小定時單位為1秒，當然根據(jù)實際需要進行配置（定時器初始化），定時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); // 定時周期1s
LedInit(); // Led初始化
TemperatureInit(); // 溫度傳感器初始化
LcdInit(); // LCD初始化
}
此時我們的main函數(shù)就可以設計為：
int main(void)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 上電初始化函數(shù)
SysInit();
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 主程序
while (1)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 定時任務
Task_Led();
Task_GetTemperature();
Task_SendToLcd();
}
}
主函數(shù)主要是進行系統(tǒng)上電的一些初始化操作，接著是調(diào)用各定時任務函數(shù)。
本demo使用定時器1來擴展出3個軟件定時器，如果TIM資源不夠用，可以換用系統(tǒng)滴答定時器來做。如：
其中，時間基數(shù)可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。
2、實踐（代入法）
套用以上模板，分享我的一個實例：
需要思考及注意的問題是給每個任務的定時值設置多大合適？這也是一些朋友有疑問的，這只能是自己對自己的任務做考慮，具體情況具體分析，給經(jīng)驗值、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時每個線程的線程棧大小設置多大合適、優(yōu)先級設置為多少合適？這些都是需要我們自己進行思考的。
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去。
以上是以STM32為例的，其它單片機也是可以用這樣子的思想的，包括51單片機。
面對文首提到的面試問題，若是可以提到使用軟件定時器來處理，進一步能清楚地表達出來，再進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)品項目中就有用到，很實用，值得學習掌握。方法掌握多了，實際應用的時候想用屠龍刀還是倚天劍根據(jù)實際情況選擇使用即可。
以上就是本次的分享，如有錯誤，歡迎指出，謝謝。
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本文授權轉(zhuǎn)載嵌入式大雜燴，作者：ZhengNL
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