【编程之美】 - 【嵌入式】软件开发框架 - 《软件学习》

在底层代码编写中，初始的框架设计总会面临选择，针对实际的硬件使用环境，大家对于使用的软件框架有很多选择，今天我简单描述一些比较常用的架构，让大家能够理解并选择合适的架构。

总述

1. 简单的顺序执行程序：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，直接按照执行顺序编写应用程序即可。

2. 前后台执行程序： 在顺序执行的情况上增添中断前台处理机制，配置顺序执行的后台大循环程序, 组合成可以实时响应的程序。

3. 时间片轮循法： 在前后台的执行架构上，通过计数器进一步规划程序，定时执行特定的片段。

4.**实时 ** 操作系统：实时操作系统又叫 RTOS，实时性，RTOS 的内核负责管理所有的任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其他任务，这个是内核的多任务管理能力。多任务管理给人的感觉就好像芯片有多个 CPU，多任务管理实现了 CPU 资源的最大化利用，多任务管理有助于实现程序的模块化开发，能够实现复杂的实时应用。

除了实时性，还有可剥夺内核，顾名思义就是可以剥夺其他任务的 CPU 使用权，它总是运行就绪任务中的优先级最高的那个任务。

1. 简单的顺序执行程序

这种应用程序比较简单，一般作为初阶简单使用，实时性以及要求不太高的情况下，可以使用。程序的设计比较简单，思路比较清晰。但是主循环的逻辑比较复杂的时候，如果没有完整的流程图指导，其他人很难看懂程序运行逻辑。

下面写一个顺序执行的程序模型

int main(void) 
{
    uint8 TaskValue;     
    InitSys();                  // 初始化    
    while (1)     
    {
      TaskValue= GetTaskValue();         
      switch (TaskValue)        
      {             
        case x: 
          TaskDispStatus(); 
        break;             
        ...             
        default:
        break;         
      }     
   } 
}

2. 前后台执行程序

【嵌入式】软件开发框架 - 图1

这种程序特点是，后台大循环中一直执行默认的程序，中断服务程序（ISR）产生相应中断标记，主程序运行与中断标记相关联的任务程序。一般实现有如下思路：

通过设置标志变量，然后在前台响应中断的时候进行对标志变量的置位或者复位，实现事件的信号获取，再在后台主循环进行中断所对应事物或者数据的处理，将程序流程转移到主程序。

前后台执行的程序

void IRQHandler(void)
{
  if(GetITStatus == 1)
  {
    SysFlag = 1;
    GetITStatus = 0;
  }
}
int main(void) 
{
    uint8 TaskValue;     
    InitSys();                  
    while (1)     
    {
      TaskValue= GetTaskValue();         
      switch (TaskValue)        
      {             
        case x: 
          if(SysFlag == 1)
          {
            TaskDispStatus(); 
            SysFlag == 0;
           }
        break;             
        ...             
        default:
        break;         
      }     
   } 
}

3. 时间片轮循架构

时间片轮循法，大家看到它的时候，一般会将它与操作系统进行比较。不是说操作系统包含这种方法，而是在前后台程序中配合时间管理形成时间片轮循架构。

这种架构已经最大限度接近 RTOS，时间管理，中断管理，任务管理，已经都有了，只不过 RTOS 会对内核进行更深入的修改，有针对 delay 延时的线程切换，抢占式任务切换这些更为复杂一些的功能等。

【嵌入式】软件开发框架 - 图2

时间片轮循程序

时间片管理主要是通过对定时多处复用，在定时器计数，定时进行标志位的变化，继而主程序对标志真假的判断，实现不同时间不同任务状态执行。

因为此架构代码比较好，我适当进行详细描述。

step

1：初始化相应的定时器：注意设置定时器的间隔频率，可以按照芯片的性能设置。例如，设置定时中断为 1ms，也可以设置为 10ms，轮循架构中的定时器部分与操作系统的定时器部分具有一样的功能，中断过于频繁，影响主程的序执行效率；中断间隔过长，实时响应效果差。

2：针对定时器运行的任务设置一个函数结构体标志，用来在定时程序进行时间计数以及标志操作。

#define TaskTAB_NUM  6 
__packed typedef struct{
  u8 flag;  
  u32 numcount;
  u32 target;  
  int(*fun)(void);
}TaskTimTypeDef

step

3：建立一个任务表，通过结构体表的设置，确定任务执行的时间表。

在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。


static TaskTimTypeDef TaskTimTab[TaskTAB_NUM] =
{
  {1, 0, 30000,      *Task00},          
  {1, 0, 3000,       *Task01},          
  {1, 0, 300,        *Task02},          
  {1, 0, 30,         *Task03},          
  {1, 0, 3,          *Task04},          
  {1, 0, 0xFFFFFFFF, *Task05},          
};
int Task00(void)
{...}
int Task01(void)
{...}
int Task02(void)
{...}
int Task03(void)
{...}
int Task04(void)
{...}
int Task06(void)
{...}

step

4：定时中断服务函数，按照我们需要的时间以及标志操作进行计时。


 void TimerInterrupt(void)
 {
    for(char i=0; i<TaskTAB_NUM; i++)
    {
      if(TaskTimTab[i].flag == 1)
      {
        (TaskTimTab[i].numcount< TaskTimTab[i].target)
        ?(TaskTimTab[i].numcount++):(TaskTimTab[i].flag = 0);
      }
    }
  }

step

5：主函数进行任务函数执行。

int main(void) 
{      
  InitSys();                  
  while (1)     
  {
      for(char i=0; i<TaskTAB_NUM; i++)
      {
        if(TaskTimTab[i].flag == 0)
        {
          if(TaskTimTab.flag == 0)
          {
            TaskTimTab[i].flag  = 1;
            TaskTimTab[i].numcount= 0;
            TaskTimTab[i].fun();
          }
      }
  } 
}

4. 操作系统 RTOS

嵌入式操作系统是更加优化的执行框架，针对多任务，功能复杂，扩展性要求强项目的代码有非常好的使用。RTOS 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，RTOS 可以面对几十个系列的嵌入式处理器 MPU、MCU、DSP、SOC 等提供类同的 API 接口，这是 RTOS 基于设备独立的应用程序开发基础。因此，基于 RTOS 的 C 语言程序具有极大的可移植性。目前针对微嵌入式或者单片机的操作系统有VxWorks、UCOS、Free RTOS、国产的 RTT，这些操作系统大同小异，基本的功能都类似：任务管理、任务间同步和通信、内存管理、实时时钟服务、中断管理服务。

【嵌入式】软件开发框架 - 图3

（图片来源博客）

RTOS 在时间轮循的架构上继续增加了任务挂起以及恢复，阻塞切换线程等，属于功能累加，进一步的优化。由于本次不是对 RTOS 的讲解，本人学习应用有 UCOS、RTT、Free RTOS 几个操作系统，因为篇幅有限，时间有限，我抽时间再进行详细的 RTOS 系统架构学习等的介绍。

目前 RTOS 系统有很多，很多项目都倾向于使用 RTOS，但是通过几种架构的分析明白不同的项目需要不同的架构，并不是所有项目都需要，也都适合使用 RTOS，例如项目中各个任务耦合性过大，如果用 RTOS 需要很多的任务同步，甚至都无法进行线程的规划。这样就完全失去 RTOS 意义，此时用某些裸机的架构反而更合适。

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