嵌入式裸机设计思想——时间片轮裸机开发架构+状态机+定时器调度机制

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘校园大使，湖南区域的日常实习，任何区域的暑假Linux驱动实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：zhangyixu02@gmail.com，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）在MCU开发的时候，很多入门者会固执的认为，做项目一定要上实时操作系统。但是真的是这样的吗？
（3）我曾经阅读过一位10年嵌入式开发经验的大佬分享的公众号，这位大佬感叹到，其实对于绝大多数时候，MCU开发不需要上操作系统。只要任务分配的合理，百分之九十的项目不上操作系统都是能够跑的。
（4）今天我就分享一下我之前备赛期间所搭建基于TM4C123的工程模板。不过这个模板问题还是有很多，比如模块之间耦合很严重，当时没有这个意识，现在才发现写的有多垃圾。虽说如此，但本人认为还是有优点的地方。
（5）注意：本文需要一点函数指针，结构体，枚举的知识，不了解的同学请先去补充好基础再来看

正文

状态机

（1）状态机其实很好理解，说白了就是一个switch()语句。根据情况将一个任务拆分成多种。例如，在我的代码中，有一个OLED显示程序。因为OLED显示是非常浪费时间的，为了不因为一个这样的程序，而影响到其他任务的执行，我们可以将OLED显示任务分成多个，依次显示。

static void Display(void){static uint8_t gray_display_state=2;switch(gray_display_state){case 2:gray_display_state++;break;case 3:gray_display_state++;break;case 4:gray_display_state++;break;case 5:gray_display_state++;break;case 6:gray_display_state++;break;default:gray_display_state = 2;}}

（2）上面那种其实是最简单的形式，整个状态是呈现圆圈型状的状态机。但是，我们有时候会遇到一些情况，他的状态有很多种任务流程，例如洗衣机，有待机状态，运行状态，运行结束之后的自动停止进入待机状态，手动关停状态，因一些异常情况引起的停止状态。因此，状态机也是一个很好的思路。

enum Washer_State_List{off,//待机状态run,//运行机状态automatic_stop, //自动停止hand_stop,//手动关停状态malfunction //故障};static void washer_control(void){static uint8_t washer_state=2;switch(washer_state){case off:LCD_show("stop");if(operation_key == true) washer_state = run;break;case run:LCD_show("runing");//如果手动关停if(hand_stop_key == true) washer_state = hand_stop;//如果计时结束if(time-- == over) washer_state = automatic_stop;//识别到了异常if(err == true) goto err;break;case automatic_stop://显示洗衣机已经关闭LCD_show("Finished washing");washer_state = off;break;case hand_stop://关闭洗衣机washer_stop();//显示洗衣机已经手动关闭LCD_show("Manually closed");washer_state = off;break;case malfunction:err : //关闭洗衣机washer_stop();//报警alarm_system(on);//显示机器故障LCD_show("Machine failure");washer_state = off;break;default:gray_display_state = 2;}}

时间片轮裸机开发架构

（1）这个机制名字很多，有些人叫做软定时器，有些叫做Easy51RTOS，具体叫做什么，我们就不深究了。
（2）新手入门MCU裸机开发，肯定都是一股脑的采用while(1)死循环，然后一直跑。如果是开发稍微复杂一点点的任务时候，你就会深刻的感受到，这样写究竟有多垃圾。
（3）一股脑的while(1)死循环，然后里面堆一大堆的任务，这样做有一下几种问题：
在后续的维护中非常复杂。想找到目标任务找起来很费力。
并不是所有的任务都需要频繁执行，例如OLED显示，就是一个非常费时间，但是又没有必要一直保持刷新的任务。他只要能够做到50ms刷新一次就能够做动画了。因此这种任务放在while(1)无脑执行无疑是对CPU的浪费，导致真正需要CPU执行的任务没有有效的照顾。
（4）为了优化上面这些问题，大佬们于是提出了基于时间片的裸机开发架构，我们可以利用一个定时器提供心跳，不断的进行计数。然后当定时时间一到，那么就可以开始执行相应的任务了。
（5）时间片轮转的裸机架构看起来是不是很完美？NO，不是的，他确实比无脑while(1)优秀很多，但是我们需要知道，每个任务的执行时间不能超出一次时间片。（例如我们上面的滴答定时器是2ms定时，所以时间片是2ms）
（6）因此，我们需要大概估计每个任务的执行时间，这里有很两种做法：
利用滴答定时器，当任务开始记录当前时间，任务结束记录当前时间然后两者相减。
进入函数，让某个引脚为高电平，函数结束让他为低电平，然后用示波器捕捉这个引脚的上升沿和下降沿。（这个方法感觉有点麻烦，我是使用的第一个）
（7）时间片轮裸机开发框架机制确实非常好，但是毕竟还是软件实现的任务调度，实时性只能说相对于只有一个while(1)好，对于其他的机制还是不太行。所以我个人还是建议，只有不重要的任务，对整个项目影响不大的任务可以放在这个框架里面，例如OLED显示，按键扫描。

/*------------------------------------------------*//*------------------- systick.c ------------------*//*------------------------------------------------*//* 滴答定时器中断，每2毫秒进入一次，count表示过了多少个2毫秒，最多计时2366多个小时*/static void SycTickHandler(void) {counter++;task_remarks();//用于任务调度，此任务执行时间在5us之内}/*------------------------------------------------*//*-------------------- Task.h --------------------*//*------------------------------------------------*/#ifndef _Task__H#define _Task__H// 任务结构typedef struct {uint8_trun;// 程序运行标记：0：不运行，1：运行uint16_t timer;// 定时器，用于自减 单位：msuint16_t itv_time; // 任务运行间隔时间 单位：msvoid (*hook)(void);// 要运行的任务函数} task_params_t;/*****函数声明*******/void task_proc(void); //任务执行处理void task_remarks(void);//任务标志位处理#endif/*------------------------------------------------*//*-------------------- Task.c --------------------*//*------------------------------------------------*/static void SW_Scan(void);// 任务清单enum TASK_LIST {TASK1_SW_Scan,// 任务2，按键扫描TASK2_Display,// 任务3，OLED显示TASKS_NUM // 任务总数};//任务列表static task_params_t s_task_params[TASKS_NUM] = {{0, Task_interval_ms(20),Task_interval_ms(20),SW_Scan },//任务2{0, Task_interval_ms(10),Task_interval_ms(10),Display },//任务3};/***********************************************************************************************************函 数 名: task_proc*功能说明: 任务处理*形参：无*返 回 值: 无**********************************************************************************************************/void task_proc(void){uint8_t i = 0;for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++){if(s_task_params[i].run){s_task_params[i].run = 0;s_task_params[i].hook();s_task_params[i].timer = s_task_params[i].itv_time;break;}}}/* 作用 ： 任务标志处理，单位是2ms，因为滴答定时器中断设置的是2ms * 传入参数 ： 无 * 返回参数 ： 无 * 任务时间 ： TASKS_NUM少于10的时候，运行速度在5ns之内*/void task_remarks(void){uint8_t i = 0;for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++) {if(s_task_params[i].timer){s_task_params[i].timer--;if(s_task_params[i].timer == 0){s_task_params[i].run = 1;}}}}/*****************************************************************************************//*************************************按键扫描任务*************************************//*****************************************************************************************/static void SW_Scan(void){//...}/*****************************************************************************************//*********************************灰度传感器时间显示任务*******************************//*****************************************************************************************/static void Display(void){static uint8_t gray_display_state=2;switch(gray_display_state){case 2:gray_display_state++;//...break;case 3:gray_display_state++;//...break;case 4:gray_display_state++;//...break;case 5:gray_display_state++;//...break;case 6:gray_display_state++;//...break;default:gray_display_state = 2;}}

定时器调度

（1）如果经验稍微丰富的同学会发现，上面的方法其实还是有问题的。例如有些任务我需要说执行就执行，如果是按照上面的方法来肯定是有一点点迟钝的。
（2）因此，我们可以采用定时器调度机制，例如我们的编码器数值读取和PID运算是优先级最高的任务，他的影响因素非常大，是我们的核心任务，所以他单独分配一个定时器。
（3）然后其他的一些任务，很相对来说，比较重要，但是却又不是核心任务。因此，我们可以将它存放在一个优先级低一级的定时器中。
（4）如果还有剩余的定时器，你可以自己根据需求进行任务分级，然后实现定时器调度功能。

//用于获取编码器的值systime Time0_Delta;void TIMER0A_Handler(void){get_systime(&Time0_Delta);cnt = 1;left_motor_speed_cmps =get_left_motor_speed(); //获取左边轮子实际速度值right_motor_speed_cmps=get_right_motor_speed();//获取右边轮子实际速度值Motor_Foreward_Right(400);Motor_Foreward_Left(400);TimerIntClear(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT); //清除中断标志位}//普通任务systime Time1_Delta;void TIMER1A_Handler(void){get_systime(&Time1_Delta);cnt = 2;//任务列表//超声波数据解析US_100_Statemachine(UART5_BASE);//MPU6050数据采集MPU6050_Read_Data(&WP_Sensor.gyro_raw,&WP_Sensor.accel_raw,&WP_Sensor.temperature);TimerIntClear(TIMER1_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);//清除中断标志位}

总结

（1）如果我们了解了如上机制，对于后续的操作系统学习，以及任务调度的理解会有一定的帮助。
（2）使用如上机制之后，也会很好的管理项目的各种任务，多裸机开发也很有利。