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){}或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&&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;} } }}

二、时间片论法

介于前后台顺序执行法和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.* @paramNone.* @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.* @paramNone.* @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* @paramNone.* @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* @paramNone.* @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.* @paramNone.* @return None.*/int main(void){System_Init();while (1){TASK_Process();}} /*** @brief定时器3中断服务函数.* @paramNone.* @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-ThreadNano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(uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX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：

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。

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