大家普遍了解单片机程序，但真正把架构当作重要课题来深入研究的人并不多。随着程序量不断增加，架构的重要性愈发凸显。这其中蕴含着许多对程序优化和避免问题的关键信息。
简单前后台顺序执行程序
初学者学习单片机编程时，通常首选这种方法。这种方法简单易行，无需过多考虑程序架构，只需按照执行顺序编写程序即可。然而，在实际应用中，它的不足之处逐渐显现。例如，在编写校园宿舍防盗系统的代码时，采用这种方法会出现诸多问题，给后续的代码维护带来困扰。此外，这种方法并未充分考虑函数的执行时间，存在许多毫秒级的延迟，这对需要实时响应的程序来说非常不利。
在仅涉及前后台顺序执行程序编写测试的情境中，测试重点通常局限于小功能。例如，读取传感器数据并进行简单处理后展示，这类基本功能可以迅速实现。然而，当项目规模扩大，比如涉及传感器之间的联动关系等复杂场景时，就难以胜任了。
时间片轮询法
这种方法位于常规执行与操作系统之间，独具特色。它在两者之间找到了一个合适的平衡点。对于那些对单片机资源需求不高，但又需要一定程序架构结构的项目来说，这种方法尤为适用。
在开发智能家居温度控制模块时，我们面临任务众多且需实时处理的情况。此时，时间片轮询法能有效在资源有限的前提下，合理调整任务执行顺序。此外，这种方法在减少函数内延时方面表现突出，它更侧重于对任务执行时间的合理规划。
操作系统方法
这种编程方式属于较为高级的水平。在工业和国防系统中，操作系统应用已久。然而，针对单片机，常用的抢占式操作系统有UCOS、RT-Nano和RTX等。
这种需要极高实时性和稳定性的复杂无人机控制系统项目，最好采用操作系统方法。这样做的好处是可以轻松设定任务优先级。然而，对于初学者或是进行简单调试的情况，可能会觉得这种方法有些像用重型武器打小鸟，因为对单片机资源的占用相对较多。
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)
{
if(k==1)
LcdWriteCom(0x01);//清屏
LcdDisplay(); //显示日期时间
}
if(RED==0)
RED_Scan();
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;
}
}
}
}
单片机程序架构实际问题
以我们学校寝室的防盗系统为例。其中存在不少明显的问题。比如，中断服务函数中的延时现象很成问题，再如，串口发送等模块的配置也存在不合理之处。当时因为对实时性的要求不是特别严格，所以主函数里的毫秒级延时并未引发严重混乱。然而，这些都是我们必须关注的问题。
对于像车辆控制系统这样对实时性要求极高的项目，这些问题会被显著加剧。因此，我们必须认识到，在各个不同情境中，架构的每个部分都有可能带来负面效应。
时间片轮询法的方案设计与应用
这个方案对于较为复杂的嵌入式系统来说，是个不错的选择。不过，它对定时器的需求较高，且对定时时间的设定要求严格。以1毫秒为例，需要平衡中断的频率和持续时间，以确保效率和实时性的协调。此外，还要确保任务函数的执行时间不宜过长。
/**
* @brief 主函数.
* @param None.
* @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.
* @param None.
* @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
}
在一家工厂的自动化生产线上，若采用简单的PLC进行控制，涉及电机操控和传感器数据收集等任务。此时，通过时间片轮询技术，可以有效调度各项作业，确保生产线的基本自动化运作。此外，根据开发者是否掌握函数指针这一概念，可以采取不同的实现策略。
/**
* @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
* @param None.
* @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
* @param None.
* @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.
* @param None.
* @return None.
*/
int main(void)
{
System_Init();
while (1)
{
TASK_Process();
}
}
/**
* @brief 定时器3中断服务函数.
* @param None.
* @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
}
三种方法对比
顺序执行法虽简单，但在复杂情况下易出现故障；操作系统法看似高级，却需更多资源且入门不易；而时间片轮询法则兼顾了两者的长处。就好比设计一个水质监控系统，既要顺序采集传感器数据，又要与云端交互，这时时间片轮询法就显示出其灵活的适应性。若是你设计单片机程序，会优先考虑哪种方法？最后，若觉得这篇文章对您有所帮助，不妨点赞并分享到您的技术圈，让我们共同探讨交流。
