单片机基本结构及常用程序运行构架

单片机程序基本构架及实现Kerwin2019.11.202021/5/91目录一、总述二、程序的基本结构2.1 顺序结构2.2 分支结构2.3 循环结构三、单片机程序执行构架3.1 简单顺序执行法3.2 时间片轮询法3.3 操作系统(略)2021/5/92一、总述

单片机程序普遍采用结构化程序设计方法，任何复杂的程序都是由顺序结构、分支结构、循环结构这三种基本结构组成。结构化程序设计可以使程序结构清晰、易于读写和验证，可靠性高。而软件构架，似乎只有纯上位机才有，其实，单片机软件也有构架可言，只有好的构架，才能结构清晰，方便开发和让系统稳定的工作。单片机程序执行构架而言，分为：顺序执行程序、时间片轮询法执行程序和操作系统等。本文将以应广单片机为例(本文无意穿插广告)，详细讲述单片机程序的结构，以及运行构架。2021/5/93二、程序的基本结构程序基本结构2021/5/94二、程序的基本结构2.1 顺序结构、它是最简单、最基本的程序结构，其特点是按指令的排列顺序逐条执行，直到全部执行完为止，如右图。无论多么简单或复杂的程序，都离不开这种形式。EX：简单的顺序结构流水灯LED = 0B1111_1110;.delay 1000000LED = 0B1111_1101;.delay 1000000……LED = 0B0111_1111;while(1) NOP;2021/5/95二、程序的基本结构2.2 分支结构顺序结构只解决一些简单的运算、逻辑处理等。实际控制MCU往往要求CPU能根据给定的条件进行判断，再选择不同的处理路径，从而表现出某种智能。这时候就要求改变程序的执行顺序，即程序的流向有两个或两个以上，这种程序结构称为分支程序结构。分支程序结构的特点是程序根据不同条件，进行判断和跳转。如右图2021/5/96二、程序的基本结构2.2 分支结构分支结构根据分支数出口的多寡分为单分支结构和多分支结构。单分支程序结构如右图：EX：if(Key==1) goto @F; //跳到下一处@@处$LED Toggle;.delay 1000000;@@:NOP;2021/5/97二、程序的基本结构2.2 分支结构多分支程序结构如右图：EX：switch(State){case1:分支程序1；break;case2：分支程序2；break;……default:break;}2021/5/98二、程序的基本结构2.3 循环结构在应用程序中，有时需要多次反复执行相同的操作，只是操作的操作数(数据)不同，这是就可以采用循环程序结构。循环程序可以显著缩短程序，减少程序所占存储空间(ROM)，使程序结构大大优化。循环程序一般包括4个部分：（1）设置循环初值

进入循环前要对循环次数等赋初值（2）循环处理

即循环体部分，是循环结构的主题部分（3）循环修改

每次循环后对参数进行修改，载入不同操作数，

为进入下一次循环做准备（4）循环控制

对循环结束条件进行判断，及时结束循环2021/5/99二、程序的基本结构2.3 循环结构如有图是两种常见的循环结构。即先执行后判断和先判断后执行。EX：简单的流水灯PBC=0xFF;PB=~0x01;Byte Icnt = 7;D0{PB<<=1;PB |= 0x01;.delay 100000;Icnt--;}while(Icnt)2021/5/910三、单片机程序执行构架3.1 前后台顺序执行法大多数人使用的方法，不需要思考程序具体构架，直接通过执行循序编写应用程序即可。前后台程序一般是指没有“操作系统”的程序。所谓的前台，就是主动去判断处理某个事务，这个是主循环里要做的事，也就是你代码主要要写的。所谓的后台，指的是：中断，也就是不需要你的CPU去判别，就会自动进入某一种状态，你在这个状态下做你要做的事就可以了。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。对一些比较简单的应用程序，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。2021/5/911三、单片机程序执行构架3.1 前后台顺序执行法如果喜欢使用此法的同学，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。2021/5/912三、单片机程序执行构架3.1 前后台顺序执行法EX：void FPPA0(void){Init();while(1){Task1();Task2();if(state==x) TaskX();}}voidInterrupt(void){TaskN();}2021/5/913三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法此法是介于前后台顺序执行法与操作系统之间的一种方法，很多人刚开始用此法会遇到很多问题，甚至觉得还是需要操作系统才能实现真正的任务及编程。对于有操作系统的程序(如PC程序)，我们并不需要了解任务之间的切换。我们只需划分好任务，以及任务之间通讯就可以了。但是时间片轮询法中所有的的任务之间的通讯，任务之间的切换等等都要程序员来实现，所以注意的问题也比较多。下面着重讨论，使用此法应该注意哪些问题，才能实现真正的任务级编程。2021/5/914三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法注意事项：1.任务的划分：任务一定要划分的非常合理，尽量做到任务的相对独立；2.任务的优先：一定要注意任务优先级的设计，把需要及时处理的任务排到任务的最前面；3.任务的执行：任务的执行一定要尽量的快，一定要保证在毫秒级，否则任务还没执行完，其他任务都再等，就到不到实时系统的要求，也谈不上多任务了；4.时间的划分：时间片的划分是整个系统的关键，一定要保证任务在需要执行的时候能够进入该执行的任务中，否则就不能实现真正的时间片轮询了。以上描述比较抽象，下面分别讨论2021/5/915三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法1.任务的划分：任务的划分并不难，你需要先全面的了解你的项目是要实现什么功能，把其划分成多个功能模块，每一个模块就是一个任务，每一个任务对应一个函数。例如一个时钟产品，一般由：按键、显示、时间、闹铃、菜单(设置/查询等)等组成。那么我们可以把其划分成5个任务。2021/5/916三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法2.任务的优先：同样通过以上事例来说明任务优先级，可能划分的方法有很多种，而且看不出很大的区别，这里列出一种比较合理的方式：A.时间，这里的时间就是从时钟芯片中获取时间；B.闹铃，获取时间后应该首先判断是否是设置的闹铃时间，如果是就进行闹铃提示，否则，退出执行下一个任务；C.显示，显示时间，如果有闹铃，则显示闹铃标志；D.按键，判断是否有按键，如果有就进入相应的操作；E.菜单，通过按键进入相应的菜单，如果没有按键，就不执行菜单任务直接退出。2021/5/917三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法2.任务的优先：这就是整个时钟产品需要实现的整个过程，任务之间的通讯已经任务之间的相互制约都是通过全局变量实现的，例如进入时间设置等时，就没有有必要实现时间的读取，闹铃的判断，以及时间的显示。这时只需要执行按键任务以及菜单任务即可，直至退出为止。这里需要说明的是不执行的任务是在判断任务执行情况后不具体执行任务代码，并不是一直在菜单程序中死等等，直至菜单退出。因为那样的话就不是真正的多任务级了，也谈不上时间片了。2021/5/918三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法3.任务的执行：任务的执行一定要尽量的快，一定不能因为某个任务需要等等特殊的东西，而影响的其他任务，也不能在任务中调用大的延时函数，一定要保证任务的运行速度，要知道每一个任务的具体执行时间。例如上例中，绝对不能因为等等按键的释放而导致其他任务的不运行。那么怎么消抖呢？这个方法有很多，你可要通过利用两次按键任务是时间实现消抖，例如第一按键后，你做个标志，表示有键，但是不执行菜单，可要通过第二次进入按键任务判断，是否是按键的按键，还是误按，这种情况下就必须要保证按键任务的运行时间在消抖也许的时间内容，例如20ms。再例如：在应用GPRS时，由于GPRS发送指令到接收到应答的时间都是秒级的，所以一定不能发完指令后，一定要等到应答才执行下一个任务，而是通过双线程的思想，把GPRS的发送和接收分为两条线，一条发，一条接，而这两条线之间都是同样全局变量来连线。每次进入GPRS任务时都判断是否由发送和接收，如果有发送就发送，有接收就判断是否为上次发送的应答，如果是就可以继续发送了，否则继续等待应答的接收，以最快的速度实现任务的执行。2021/5/919三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法4.时间的划分：时间片的划分尤为重要，需要保证每一任务都能在该执行的时间内运行。就以时钟事例来说，显示和获取时钟一般一秒一次就可以了(如果是数码管动态扫描可能会更快)。当然在系统允许的情况下可以尽量多允许几次，但一定最低的允许次数。像按键可以使用20ms作为任务的时间片，因为一般按键的消抖时间为20ms，那么时间片划分为20ms完全可以保证即不漏掉按键，也不会误读按键。2021/5/920三、单片机程序执行构架3.2 时间片轮询法的实现(以应广单片机为例)⑴对任务总数(图中以8个为例)、时间片最小单位、运行间隔、相关任务定时计数器、运行标志，及任务函数进行定义2021/5/921三、