第1章_瑞薩MCU零基礎(chǔ)入門系列教程之單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)模式

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第1章單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)模式

本章目標(biāo)

理解裸機(jī)程序設(shè)計(jì)模式
了解多任務(wù)系統(tǒng)中程序設(shè)計(jì)的不同

1.1 裸機(jī)程序設(shè)計(jì)模式

裸機(jī)程序的設(shè)計(jì)模式可以分為：輪詢、前后臺(tái)、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)、基于狀態(tài)機(jī)。前面三種方法都無(wú)法解決一個(gè)問(wèn)題：假設(shè)有 A、B 兩個(gè)都很耗時(shí)的函數(shù)，無(wú)法降低它們相互之間的影響。第 4 種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是實(shí)踐起來(lái)有難度。

假設(shè)一位職場(chǎng)媽媽需要同時(shí)解決 2 個(gè)問(wèn)題：給小孩喂飯、回復(fù)工作信息，場(chǎng)景如圖所示，

后面將會(huì)演示各類模式下如何寫程序：

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1.1.1 輪詢模式

示例代碼如下：

 // 經(jīng)典單片機(jī)程序: 輪詢
 void main()
 {
   while (1)
	 {
 		喂一口飯();
 		回一個(gè)信息();
 	 }
 }

在 main 函數(shù)中是一個(gè) while 循環(huán)，里面依次調(diào)用 2 個(gè)函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)相互之間有影響：如果“喂一口飯”太花時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致遲遲無(wú)法“回一個(gè)信息”；如果“回一個(gè)信息”太花時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致遲遲無(wú)法“喂下一口飯”。

使用輪詢模式編寫程序看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是要求 while 循環(huán)里調(diào)用到的函數(shù)要執(zhí)行得非常快，在復(fù)雜場(chǎng)景里反而增加了編程難度。

1.1.2 前后臺(tái)

所謂“前后臺(tái)”就是使用中斷程序。假設(shè)收到同事發(fā)來(lái)的信息時(shí)，電腦會(huì)發(fā)出“滴”的一聲，這時(shí)候媽媽才需要去回復(fù)信息。示例程序如下：

 // 前后臺(tái)程序
 void main()
 {
 	 while (1)
 	 {
 		// 后臺(tái)程序
 		喂一口飯();
 	 }
 }

// 前臺(tái)程序
void 滴_中斷()
{
	回一個(gè)信息();
}

main 函數(shù)里 while 循環(huán)里的代碼是后臺(tái)程序，平時(shí)都是 while 循環(huán)在運(yùn)行；
當(dāng)同事發(fā)來(lái)信息，電腦發(fā)出“滴”的一聲，觸發(fā)了中斷。媽媽暫停喂飯，去執(zhí)行“滴_中斷”給同事回復(fù)信息；

在這個(gè)場(chǎng)景里，給同事回復(fù)信息非常及時(shí)：即使正在喂飯也會(huì)暫停下來(lái)去回復(fù)信息?！拔挂豢陲垺睙o(wú)法影響到“回一個(gè)信息”。但是，如果“回一個(gè)信息”太花時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致 “喂一口飯”遲遲無(wú)法執(zhí)行。

繼續(xù)改進(jìn)，假設(shè)小孩吞下飯菜后會(huì)發(fā)出“啊”的一聲，媽媽聽到后才會(huì)喂下一口飯。喂飯、回復(fù)信息都是使用中斷函數(shù)來(lái)處理。示例程序如下：


// 前后臺(tái)程序
void main()
{
    while (1)
    {
        // 后臺(tái)程序
    }
}

// 前臺(tái)程序
void 滴_中斷()
{
    回一個(gè)信息();
}

// 前臺(tái)程序
void 啊_中斷()
{
    喂一口飯();
}

main 函數(shù)中的 while 循環(huán)是空的，程序的運(yùn)行靠中斷來(lái)驅(qū)使。如果電腦聲音“滴”、小孩聲音“啊”不會(huì)同時(shí)、相近發(fā)出，那么“回一個(gè)信息”、“喂一口飯”相互之間沒(méi)有影響。在不能滿足這個(gè)前提的情況下，比如“滴”、“啊”同時(shí)響起，先“回一個(gè)信息”時(shí)就會(huì)耽誤“喂一口飯”，這種場(chǎng)景下程序遭遇到了輪詢模式的缺點(diǎn)：函數(shù)相互之間有影響。

1.1.3 定時(shí)器驅(qū)動(dòng)

定時(shí)器驅(qū)動(dòng)模式，是前后臺(tái)模式的一種，可以按照不用的頻率執(zhí)行各種函數(shù)。比如需要每 2 分鐘給小孩喂一口飯，需要每 5 分鐘給同事回復(fù)信息。那么就可以啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，讓它每 1 分鐘產(chǎn)生一次中斷，讓中斷函數(shù)在合適的時(shí)間調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)。示例代碼如下：

// 前后臺(tái)程序: 定時(shí)器驅(qū)動(dòng)
void main()
{
    
        while (1)
    {
        // 后臺(tái)程序
    }
}

// 前臺(tái)程序: 每 1 分鐘觸發(fā)一次中斷
void 定時(shí)器_中斷()
{
    static int cnt = 0;
    cnt++;
    if (cnt % 2 == 0)
    {
        喂一口飯();
    }
    else if (cnt % 5 == 0)
    {
        回一個(gè)信息();
    }
}

main 函數(shù)中的 while 循環(huán)是空的，程序的運(yùn)行靠定時(shí)器中斷來(lái)驅(qū)使。

定時(shí)器中斷每 1 分鐘發(fā)生一次，在中斷函數(shù)里讓 cnt 變量累加（代碼第 14 行）。
第 15 行：進(jìn)行求模運(yùn)算，如果對(duì) 2 取模為 0，就“喂一口飯”。這相當(dāng)于每發(fā)生 2 次中斷就“喂一口飯”。
第 19 行：進(jìn)行求模運(yùn)算，如果對(duì) 5 取模為 0，就“回一個(gè)信息”。這相當(dāng)于每發(fā)生 5 次

中斷就“回一個(gè)信息”。

這種模式適合調(diào)用周期性的函數(shù)，并且每一個(gè)函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間不能超過(guò)一個(gè)定時(shí)器周期。如果“喂一口飯”很花時(shí)間，比如長(zhǎng)達(dá) 10 分鐘，那么就會(huì)耽誤“回一個(gè)信息”；反過(guò)來(lái)也是一樣的，如果“回一個(gè)信息”很花時(shí)間也會(huì)影響到“喂一口飯”；這種場(chǎng)景下程序遭遇到了輪詢模式的缺點(diǎn)：函數(shù)相互之間有影響。

1.1.4 基于狀態(tài)機(jī)

當(dāng)“喂一口飯”、“回一個(gè)信息”都需要花很長(zhǎng)的時(shí)間，無(wú)論使用前面的哪種設(shè)計(jì)模式，都會(huì)退化到輪詢模式的缺點(diǎn)：函數(shù)相互之間有影響?？梢允褂脿顟B(tài)機(jī)來(lái)解決這個(gè)缺點(diǎn)，示例代碼如下：

// 狀態(tài)機(jī)
void main()
{
    while (1)
    {
        喂一口飯();
        回一個(gè)信息();
    }
}

在 main 函數(shù)里，還是使用輪詢模式依次調(diào)用 2 個(gè)函數(shù)。

關(guān)鍵在于這 2 個(gè)函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)：使用狀態(tài)機(jī)，每次只執(zhí)行一個(gè)狀態(tài)的代碼，減少每次執(zhí)行的時(shí)間，代碼如下：

void 喂一口飯(void)
{
    static int state = 0;
    switch (state)
    {
    case 0:
    {
        /* 舀飯 */
         
            /* 進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài) */
            state++;
        break;
    }
    case 1:
    {
        /* 喂飯 */
        /* 進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài) */
        state++;
        break;
    }
    case 2:
    {
        /* 舀菜 */
        /* 進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài) */
        state++;
        break;
    }
    case 2:
    {
        /* 喂菜 */
        /* 恢復(fù)到初始狀態(tài) */
        state = 0;
        break;
    }
    }
}

void 回一個(gè)信息(void)
{
    static int state = 0;

    switch (state)
    {
    case 0:
    {
        /* 查看信息 */
        /* 進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài) */
        state++;
        break;
    }
    case 1:
    {
        /* 打字 */
        /* 進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài) */
        state++;
        break;
    }
    case 2:
    {
        /* 發(fā)送 */
        /* 恢復(fù)到初始狀態(tài) */
        state = 0;
        break;
    }
    }
}

以“喂一口飯”為例，函數(shù)內(nèi)部拆分為 4 個(gè)狀態(tài)：舀飯、喂飯、舀菜、喂菜。每次執(zhí)行“喂一口飯”函數(shù)時(shí)，都只會(huì)執(zhí)行其中的某一狀態(tài)對(duì)應(yīng)的代碼。以前執(zhí)行一次“喂一口飯”函數(shù)可能需要 4 秒鐘，現(xiàn)在可能只需要 1 秒鐘，就降低了對(duì)后面“回一個(gè)信息”的影響。

同樣的，“回一個(gè)信息”函數(shù)內(nèi)部也被拆分為 3 個(gè)狀態(tài)：查看信息、打字、發(fā)送。每次執(zhí)行這個(gè)函數(shù)時(shí)，都只是執(zhí)行其中一小部分代碼，降低了對(duì)“喂一口飯”的影響。

使用狀態(tài)機(jī)模式，可以解決裸機(jī)程序的難題：假設(shè)有 A、B 兩個(gè)都很耗時(shí)的函數(shù)，怎樣降低它們相互之間的影響。但是很多場(chǎng)景里，函數(shù) A、B 并不容易拆分為多個(gè)狀態(tài)，并且這些狀態(tài)執(zhí)行的時(shí)間并不好控制。所以這并不是最優(yōu)的解決方法，需要使用多任務(wù)系統(tǒng)。

1.2 多任務(wù)系統(tǒng)

1.2.1 多任務(wù)模式

對(duì)于裸機(jī)程序，無(wú)論使用哪種模式進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，在最差的情況下都無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題：假設(shè)有 A、B 兩個(gè)都很耗時(shí)的函數(shù)，無(wú)法降低它們相互之間的影響。使用狀態(tài)機(jī)模式時(shí)，如果函數(shù)拆分得不好，也會(huì)導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題。本質(zhì)原因是：函數(shù)是輪流執(zhí)行的。假設(shè)“喂一口飯”需要 t1~t5 這 5 段時(shí)間，“回一個(gè)信息需要”ta~te 這 5 段時(shí)間，輪流執(zhí)行時(shí)：先執(zhí)行完 t1~t5，再執(zhí)行 ta~te，如下圖所示：

對(duì)于職場(chǎng)媽媽，她怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？她是一個(gè)眼明手快的人，可以一心多用，她這

樣做：

左手拿勺子，給小孩喂飯
右手敲鍵盤，回復(fù)同事
兩不耽誤，小孩“以為”媽媽在專心喂飯，同事“以為”她在專心聊天
但是腦子只有一個(gè)啊，雖然說(shuō)“一心多用”，但是誰(shuí)能同時(shí)思考兩件事？
只是她反應(yīng)快，上一秒鐘在考慮夾哪個(gè)菜給小孩，下一秒鐘考慮給同事回復(fù)什么信息
本質(zhì)是：交叉執(zhí)行，t1~t5 和 ta~te 交叉執(zhí)行，如下圖所示：

基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時(shí)，示例代碼如下：

// RTOS 程序
喂飯任務(wù)()
{
    while (1)
    {
        喂一口飯();
    }
}

回信息任務(wù)()
{
    while (1)
    {
        回一個(gè)信息();
    }
}

void main()
{
    // 創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù)
    create_task(喂飯任務(wù));
    create_task(回信息任務(wù));

    // 啟動(dòng)調(diào)度器
    start_scheduler();
}

第 21、22 行，創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù)；
第 25 行，啟動(dòng)調(diào)度器；
之后，這 2 個(gè)任務(wù)就會(huì)交叉執(zhí)行了；

基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時(shí)，反而更簡(jiǎn)單了：

上面第 2~8 行是“喂飯任務(wù)”的代碼；
第 10~16 行是“回信息任務(wù)”的代碼，編寫它們時(shí)甚至都不需要考慮它和其他函數(shù)的相互影響。就好像有 2 個(gè)單板：一個(gè)只運(yùn)行“喂飯任務(wù)”這個(gè)函數(shù)、另一個(gè)只運(yùn)行“回信息任務(wù)”這個(gè)函數(shù)。

多任務(wù)系統(tǒng)會(huì)依次給這些任務(wù)分配時(shí)間：你執(zhí)行一會(huì)，我執(zhí)行一會(huì)，如此循環(huán)。只要切換的間隔足夠短，用戶會(huì)“感覺(jué)這些任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行”。如下圖所示：

1.2.2 互斥操作

多任務(wù)系統(tǒng)中，多個(gè)任務(wù)可能會(huì)“同時(shí)”訪問(wèn)某些資源，需要增加保護(hù)措施以防止混亂。比如任務(wù) A、B 都要使用串口，能否使用一個(gè)全局變量讓它們獨(dú)占地、互斥地使用串口？示例代碼如下：

// RTOS 程序
int g_canuse = 1;
void uart_print(char *str)
{
    if (g_canuse)
    {
        g_canuse = 0;
        printf(str);
        g_canuse = 1;
    }
}

task_A()
{
    while (1)
    {
        uart_print("0123456789\n");
    }
    
}

task_B()
{
    while (1)
    {
        uart_print("abcdefghij");
    }
}

void main()
{
    // 創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù)
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 啟動(dòng)調(diào)度器
    start_scheduler();
}

程序的意圖是：task_A 打印“0123456789”，task_B 打印“abcdefghij”。在 task_A 或task_B 打印的過(guò)程中，另一個(gè)任務(wù)不能打印，以避免數(shù)字、字母混雜在一起，比如避免打印這樣的字符：“012abc”。

第 6 行使用全局變量 g_canuse 實(shí)現(xiàn)互斥打印，它等于 1 時(shí)表示“可以打印”。在進(jìn)行實(shí)際打印之前，先把 g_canuse 設(shè)置為 0，目的是防止別的任務(wù)也來(lái)打印。

這個(gè)程序大部分時(shí)間是沒(méi)問(wèn)題的，但是只要它運(yùn)行的時(shí)間足夠長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)字、字母混雜的情況。下圖把 uart_print 函數(shù)標(biāo)記為①~④個(gè)步驟：

void uart_print(char *str)
{
    if (g_canuse)         ①
        {
            g_canuse = 0; ② 
            printf(str);  ③
            g_canuse = 1; ④
        }
}

如果 task_A 執(zhí)行完①，進(jìn)入 if 語(yǔ)句里面執(zhí)行②之前被切換為 task_B：在這一瞬間，g_canuse 還是 1。

task_B 執(zhí)行①時(shí)也會(huì)成功進(jìn)入 if 語(yǔ)句，假設(shè)它執(zhí)行到③，在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切換為 task_A。

task_A 繼續(xù)從上次被暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，即從②那里繼續(xù)執(zhí)行，成功打印出“0123456789”。這時(shí)在串口上可以看到打印的結(jié)果為：“abc0123456789”。

是不是“①判斷”、“②清零”間隔太遠(yuǎn)了，uart_print 函數(shù)改進(jìn)成如下的代碼呢？

void uart_print(char *str)
{
    g_canuse--;        ① 減一 
    if (g_canuse == 0) ② 判斷
    {
        printf(str);   ③ 打印
    }
    g_canuse++;        ④ 加一
}

即使改進(jìn)為上述代碼，仍然可能產(chǎn)生兩個(gè)任務(wù)同時(shí)使用串口的情況。因?yàn)椤阿贉p一”這個(gè)操作會(huì)分為 3 個(gè)步驟：a.從內(nèi)存讀取變量的值放入寄存器里，b.修改寄存器的值讓它減一，c.把寄存器的值寫到內(nèi)存上的變量上去。

如果task_A執(zhí)行完步驟a、b，還沒(méi)來(lái)得及把新值寫到內(nèi)存的變量里，就被切換為task_B：在這一瞬間，g_canuse 還是 1。

task_B 執(zhí)行①②時(shí)也會(huì)成功進(jìn)入 if 語(yǔ)句，假設(shè)它執(zhí)行到③，在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切換為 task_A。

task_A 繼續(xù)從上次被暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，即從步驟 c 那里繼續(xù)執(zhí)行，成功打印出“0123456789”。這時(shí)在串口上可以看到打印的結(jié)果為：“abc0123456789”。

從上面的例子可以看到，基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時(shí)，訪問(wèn)公用的資源的時(shí)候要考慮“互斥操作”。任何一種多任務(wù)系統(tǒng)都會(huì)提供相應(yīng)的函數(shù)。

1.2.3 同步操作

如果任務(wù)之間有依賴關(guān)系，比如任務(wù) A 執(zhí)行了某個(gè)操作之后，需要任務(wù) B 進(jìn)行后續(xù)的處理。如果代碼如下編寫的話，任務(wù) B 大部分時(shí)間做的都是無(wú)用功。

// RTOS 程序
int flag = 0;

void task_A()
{
    while (1)
    {
        // 做某些復(fù)雜的事情
        // 完成后把 flag 設(shè)置為 1
        flag = 1;
    }
}

void task_B()
{
    while (1)
    {
        if (flag)
        {
            // 做后續(xù)的操作
        }
    }
}

void main()
{
    // 創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù)
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 啟動(dòng)調(diào)度器
    start_scheduler();
}

上述代碼中，在任務(wù) A 沒(méi)有設(shè)置 flag 為 1 之前，任務(wù) B 的代碼都只是去判斷 flag。而任務(wù) A、B 的函數(shù)是依次輪流運(yùn)行的，假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行了 100 秒，其中任務(wù) A 總共運(yùn)行了 50秒，任務(wù) B 總共運(yùn)行了 50 秒，任務(wù) A 在努力處理復(fù)雜的運(yùn)算，任務(wù) B 僅僅是浪費(fèi) CPU 資源。

如果可以讓任務(wù) B 阻塞，即讓任務(wù) B 不參與調(diào)度，那么任務(wù) A 就可以獨(dú)占 CPU 資源加快處理復(fù)雜的事情。當(dāng)任務(wù) A 處理完事情后，再喚醒任務(wù) B。示例代碼如下：

//RTOS 程序
void task_A()
{
    while (1)
    {
        // 做某些復(fù)雜的事情
        // 釋放信號(hào)量,會(huì)喚醒任務(wù) B;
    }
}

void task_B()
{
    while (1)
    {
        // 等待信號(hào)量, 會(huì)讓任務(wù) B 阻塞
        // 做后續(xù)的操作
    }
}

void main()
{
    // 創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù)
    create_task(task_A);
    create_task(task_B);
    // 啟動(dòng)調(diào)度器
    start_scheduler();
}

第 15 行：任務(wù) B 運(yùn)行時(shí)，等待信號(hào)量，不成功時(shí)就會(huì)阻塞，不在參與任務(wù)調(diào)度。
第 7 行：任務(wù) A 處理完復(fù)雜的事情后，釋放信號(hào)量會(huì)喚醒任務(wù) B。
第 16 行：任務(wù) B 被喚醒后，從這里繼續(xù)運(yùn)行。

在這個(gè)過(guò)程中，任務(wù) A 處理復(fù)雜事情的時(shí)候可以獨(dú)占 CPU 資源，加快處理速度。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-708720.html

本章完

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