很庆幸，在参加电子设计大赛赛前培训时，MCU周围的控制都训练的很扎实。经过这个阶段后，后来接触不同的MCU就会发现，都大同小异，各有各的优势而已，学任何一种新的MCU都很容易入手包括一些复杂的处理器。而且对MCU的编程控制会提升一个高度概况——就是对各种外围进行控制(如果是对复杂算法的运算就会用DSP了），而外围与MCU的通信方式一般也就几种时序：IIC,SPI,intel8080,M6800。这样看来MCU周围的编程就是一个很简单的东西了。
然而这只是嵌入式开发中的一点皮毛而已，在接触过多种MCU,接触过复杂设计要求，跑过操作系统等等后，我们在回到单片机的裸机开发时，就不知不觉的就会考虑到整个程序设计的架构问题；一个好的程序架构，是一个有经验的工程师和一个初学者的分水岭。
以下是我对单片机程序框架以及开发中一些常用部分的认识总结：
任何对时间要求苛刻的需求都是我们的敌人，在必要的时候我们只有增加硬件成本来消灭它；比如你要8个数码管来显示，我们在没有相关的硬件支持的时候必须用MCU以动态扫描的方式来使其工作良好；而动态扫描将或多或少的阻止了MCU处理其他的事情。在MCU负担很重的场合，我会选择选用一个类似max8279外围ic来解决这个困扰；
然而庆幸的是，有着许多不是对时间要求苛刻的事情：
例如键盘的扫描，人们敲击键盘的速率是有限的，我们无需实时扫描着键盘，甚至可以每隔几十ms才去扫描一下；然而这个几十ms的间隔，我们的MCU还可以完成许多的事情；
单片机虽然是裸机奔跑，但是往往现实的需要决定了我们必须跑出操作系统的姿态——多任务程序；
比如一个常用的情况有4个任务：
1 键盘扫描；
2 LED数码管显示；
3 串口数据需要接受和处理;
4 串口需要发送数据；
如何来构架这个单片机的程序将是我们的重点；
读书时代的我会把键盘扫描用查询的方式放在主循环中，而串口接收数据用中断，在中断服务函数中组成相应的帧格式后置位相应的标志位，在主函数的循环中进行数据的处理，串口发送数据以及led的显示也放在主循环中；
这样整个程序就以标志变量的通信方式，相互配合的在主循环和后台中断中执行；然而必须指出其不妥之处：
每个任务的时间片可能过长，这将导致程序的实时性能差。如果以这样的方式在多加几个任务，使得一个循环的时间过长，可能键盘扫描将很不灵敏。所以若要建立 一个良好的通用编程模型，我们必须想办法，消去每个任务中费时间的部分以及把每个任务再次分解；下面来细谈每个任务的具体措施：
1 键盘扫描
键盘扫描是单片机的常用函数，以下指出常用的键盘扫描程序中，严重阻碍系统实时性能的地方；众所周知，一个键按下之后的波形是这样的（假定低有效）：
在有键按下后，数据线上的信号出现一段时间的抖动，然后为低，然后当按键释放时，信号抖动一段时间后变高。当然，在数据线为低或者为高的过程中，都有可能出现一些很窄的干扰信号。
unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8;
if ((P2&0xf8)!=0xf8)
{
delay(100); //延时20ms去抖--------这里太费时了，很糟糕
if((P2&0xf8)!=0xf8)
{
sccode=0xfe;
while((sccode&0x08)!=0)
{
P2=sccode;
if ((P2&0xf8)!=0xf8)
break;
sccode=(sccode<<1)|0x01;
}
recode=(P2&0xf8)|0x0f;
return(sccode&recode);
}
}
return (KEY_NONE);
}
键盘扫描是需要软件去抖的，这没有争议，然而该函数中用软件延时来去抖（ms级别的延时），这是一个维持系统实时性能的一个大忌讳；
一般还有一个判断按键释放的代码：
While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死循环等待
这样很糟糕，如果把键盘按下一直不放，这将导致整个系统其它的任务也不能执行，这将是个很严重的bug。
有人会这样进行处理：
While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++ > 10)
Break;
}
即在一定得时间内，如果键盘一直按下，将作为有效键处理。这样虽然不导致整个系统其它任务不能运行，但也很大程度上，削弱了系统的实时性能，因为他用了延时函数；
我们用两种有效的方法来解决此问题：
1 在按键功能比较简单的情况下，我们仍然用上面的kbscan()函数进行扫描，只是把其中去抖用的软件延时去了，把去抖以及判断按键的释放用一个函数来处理，它不用软件延时，而是用定时器的计时（用一般的计时也行）来完成；代码如下
void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}
void ScanKey(void)
{
++KeyDebounceCnt;//去抖计时（这个计时也可以放在后台定时器计时函数中处理）
KeyCode = kbscan();
if (KeyCode != KEY_NONE)
{
if (KeyDebounceFlg)//进入去抖状态的标志位
{
if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖规定的时间
{
if (KeyCode == KeyOldCode)//按键依然存在，则返回键值
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 1;//释放标志
return; //Here exit with keycode
}
ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖动而已
}
}else{
if (KeyReleaseFlg == 0)
{
KeyOldCode = KeyCode;
KeyDebounceFlg = 1;
KeyDebounceCnt = 0;
}else{
if (KeyCode != KeyOldCode)
ClearKeyFlag();
}
}
}else{
ClearKeyFlag();//没有按键则清零标志
}
KeyCode = KEY_NONE;
}
在按键情况较复杂的情况，如有长按键，组合键，连键等一些复杂功能的按键时候，我们跟倾向于用状态机来实现键盘的扫描；
//avr 单片机 中4*3扫描状态机实现
char read_keyboard_FUN2()
{
static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time;
char key_return = No_key,i;
switch (key_state)
{
case 0: //最初的状态，进行3*4的键盘扫描
key_line = 0b00001000;
for (i=1; i<=4; i++) // 扫描键盘
{
PORTD = ~key_line; // 输出行线电平
PORTD = ~key_line; // 必须送2次！！！（注1）
key_value = Key_mask & PIND; // 读列电平
if (key_value == Key_mask)
key_line <<= 1; // 没有按键，继续扫描
else
{
key_state++; // 有按键，停止扫描
break; // 转消抖确认状态
}
}
break;
case 1: //此状态来判断按键是不是抖动引起的
if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次读列电平，
{
key_state++; // 转入等待按键释放状态
key_time=0;
}
else
key_state--; // 两次列电平不同返回状态0，（消抖处理）
break;
case 2: // 等待按键释放状态
PORTD = 0b00000111; // 行线全部输出低电平
PORTD = 0b00000111; // 重复送一次
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
{
key_state=0; // 列线全部为高电平返回状态0
key_return= (key_line | key_value);//获得了键值
}
else if(++key_time>=100)//如果长时间没有释放
{
key_time=0;
key_state=3;//进入连键状态
key_return= (key_line | key_value);
}
break;
case 3://对于连键，每隔50ms就得到一次键值，windows xp 系统就是这样做的
PORTD = 0b00000111; // 行线全部输出低电平
PORTD = 0b00000111; // 重复送一次
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
key_state=0; // 列线全部为高电平返回状态0
else if(++key_time>=5) //每隔50MS为一次连击的按键
{
key_time=0;
key_return= (key_line | key_value);
}
break;
}
return key_return;
}
以上用了4个状态，一般的键盘扫描只用前面3个状态就可以了，后面一个状态是为增加“连键”功能设计的。连键——即如果按下某个键不放，则迅速的多次响应 该键值，直到其释放。在主循环中每隔10ms让该键盘扫描函数执行一次即可；我们定其时限为10ms,当然要求并不严格。
2 数码管的显示
一般情况下我们用的八位一体的数码管，采用动态扫描的方法来完成显示；非常庆幸人眼在高于50hz以上的闪烁时发现不了的。所以我们在动态扫描数码管的间 隔时间是充裕的。这里我们定其时限为4ms(250HZ) ，用定时器定时为2ms,在定时中断程序中进行扫描的显示，每次只显示其中的一位；当然时限也可以弄长一些，更推荐的方法是把显示函数放入主循环中，而定 时中断中置位相应的标志位即可；
// Timer 0 比较匹配中断服务,4ms定时
interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)
{
display(); // 调用LED扫描显示
……………………
}
void display(void) // 8位LED数码管动态扫描函数
{
PORTC = 0xff; // 这里把段选都关闭是很必要的，否则数码管会产生拖影
PORTA = led_7[dis_buff[posit]];
PORTC = position[posit];
if (++posit >=8 )
posit = 0;
}
3 串口接收数据帧
串口接收时用中断方式的，这无可厚非。但如果你试图在中断服务程序中完成一帧数据的接收就麻烦大了。永远记住，中断服务函数越短越好，否则影响这个程序的 实时性能。一个数据帧一般包括若干个字节，我们需要判断一帧是否完成，校验是否正确。在这个过程中我们不能用软件延时，更不能用死循环等待等方式；所以我们在串口接收中断函数中，只是把数据放置于一个缓冲队列中。
至于组成帧，以及检查帧的工作我们在主循环中解决，并且每次循环中我们只处理一个数据，每个字节数据的处理间隔的弹性比较大，因为我们已经缓存在了队列里面。
/*==========================================
功能：串口发送接收的时间事件
说明：放在大循环中每10ms一次
输出：none
输入：none
==========================================*/
void UARTimeEvent(void)
{
if (TxTimer != 0)//发送需要等待的时间递减
--TxTimer;
if (++RxTimer > RX__RESET) //
RxCnt = 0; //如果接受超时（即不完整的帧或者接收一帧完成），把接收的不完整帧覆盖
}
浅谈单片机应用程序架构
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，本人觉得架构是非常必要的。前不就发帖与大家一起讨论了一下《谈谈怎样架构你的单片机程序》，发现真正使用架构的并不都，而且这类书籍基本没有。
本人经过摸索实验，并总结，大致应用程序的架构有三种：
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。
下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围。。。。。。。。。。。。。
1. 顺序执行法：
这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然能够实现功能，但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。
这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。
本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。
下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：
复制内容到剪贴板
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
uint8 keyValue;
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskDisplayClock();
keyValue = TaskKeySan();
switch (keyValue)
{
case x: TaskDispStatus(); break;
...
default: break;
}
}
}
2. 时间片轮询法
时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。
对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有一定的借鉴性。
记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，由于时间的问题，并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。。。
使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：
1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。
2. 定义一个数值：
代码:
#define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3，表示有三个任务会使用此定时器定时。
uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同样对应三个标志位，为0表示时间没到，为1表示定时时间到。
3. 在定时器中断服务函数中添加：
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定时中断服务函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_NUM; i++)
{
if (TaskCount[i])
{
TaskCount[i]--;
if (TaskCount[i] == 0)
{
TaskMark[i] = 0x01;
}
}
}
}
代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。
4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：
代码:
TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器
到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。。。。。。。。。。。
通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。
循环判断标志位：
那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。
执行其他函数：
那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。
时间片轮询法的架构：
1.设计一个结构体：
代码:
// 任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序运行标记：0-不运行，1运行
uint8 Timer; // 计时器
uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
} TASK_COMPONENTS; // 任务定义
这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。
2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任务标志处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps[i].Timer) // 时间不为0
{
TaskComps[i].Timer--; // 减去一个节拍
if (TaskComps[i].Timer == 0) // 时间减完了
{
TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢复计时器值，从新下一次
TaskComps[i].Run = 1; // 任务可以运行
}
}
}
}
大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？
3. 任务处理
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任务处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i<TASKS_MAX; i++) // 逐个任务时间处理
{
if (TaskComps[i].Run) // 时间不为0
{
TaskComps[i].TaskHook(); // 运行任务
TaskComps[i].Run = 0; // 标志清0
}
}
}
此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。
到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。
下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。
1. 定义一个上面定义的那种结构体变量
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代码:
/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工作状态
// 这里添加你的任务。。。。
};
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。
①大概意思是，我们有三个任务，没1s执行以下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。
②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。
③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。
2. 任务列表
代码:
// 任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
TASK_DISP_WS, // 工作状态显示
// 这里添加你的任务。。。。
TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
} TASK_LIST;
好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。
3. 编写任务函数
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 显示任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 扫描任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{
}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作状态显示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{
}
// 这里添加其他任务。。。。。。。。。
现在你就可以根据自己的需要编写任务了。
4. 主函数
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任务处理
}
}
到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？
不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。。。。。。。。。
3.操作系统
操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理，执行本事并不需要我们去了解。但是光是移植都是一件非常困难的是，虽然有人说过“你如果使用过系统，将不会在去使用前后台程序”。但是真正能使用操作系统的人并不多，不仅是因为系统的使用本身很复杂，而且还需要购买许可证（ucos也不例外，如果商用的话）。
这里本人并不想过多的介绍操作系统本身，因为不是一两句话能过说明白的，下面列出UCOS下编写应该程序的模型。大家可以对比一下，这三种方式下的各自的优缺点。
复制内容到剪贴板
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
OSInit(); // 初始化uCOS-II
OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskStart, // 任务指针
(void *) 0, // 参数
(OS_STK *) &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
(INT8U ) TASK_START_PRIO); // 任务优先级
OSStart(); // 启动多任务环境
return (0);
}
代码:
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskStart()
* Description : 任务创建，只创建任务，不完成其他工作
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskStart(void* p_arg)
{
OS_CPU_SysTickInit(); // Initialize the SysTick.
#if (OS_TASK_STAT_EN > 0)
OSStatInit(); // 这东西可以测量CPU使用量
#endif
OSTaskCreate((void (*) (void *)) TaskLed, // 任务1
(void *) 0, // 不带参数
(OS_STK *) &TaskLedStk[TASK_LED_STK_SIZE - 1], // 堆栈指针
(INT8U ) TASK_LED_PRIO); // 优先级
// Here the task of creating your
while (1)
{
OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100);
}
}
不难看出，时间片轮询法优势还是比较大的，即由顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解。。。。。。。。。
架构一、
void main(void)
{
Init(void);
while(1)
{
Task1(void);
......
Taskn(void);
}
}
架构二、
void main(void)
{
Init(void);
while(1)
{
if (sys._5ms > 0)
{
sys._5ms = 0;
task_index++;
if (task_index > n)
{
task_index = 0;
}
}
switch(task_index)
{
case 0:
Task1();
break;
case 1:
...
break;
case n:
Taskn();
break;
default:
break;
}
}
}
该种结构函数运行时间间隔的灵活性不是很大，但是函数本身比较自由，形参可有可无，不需要多余的外函数，免去了不必要的进出栈，定时器中断 里面处理也很简单，只需将sys._5ms置位；今天突然想做一个时间间隔控制比较灵活的，这就要用到函数指针，函数的格式就固定了，或者另外给函数打包，而且要逐次查询，就类似操作系统那样的了，这就实有些浪费了，想想还是放弃了。
ISR_Time()
{
if (5ms > 0)
{
5ms = 0;
TASK1 = 1;
}
if (nms > 0)
{
TASKn = 1;
}
}
void main(void)
{
Init(void);
while(1)
{
if (TASK1)
{
TASK1 = 0;
Task1(void);
}
....
if (TASKn)
{
TASKn = 0;
Taskn(void);
}
}
}