mcu由于內(nèi)部資源的限制，軟件設(shè)計有其特殊性，程序一般沒有復(fù)雜的算法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，代碼量也不大，通常不會使用OS (Operating System),因為對于一個只有若干K ROM,一百多byte RAM的mcu來說，一個簡單OS也會吃掉大部分的資源。

對于無os的系統(tǒng)，流行的設(shè)計是主程序(主循環(huán)) +（定時）中斷，這種結(jié)構(gòu)雖然符合自然想法，不過卻有很多不利之處，首先是中斷可以在主程序的任何地方發(fā)生，隨意打斷主程序。其次主程序與中斷之間的耦合性（關(guān)聯(lián)度）較大，這種做法使得主程序與中斷纏繞在一起，必須仔細(xì)處理以防不測。

那么換一種思路，如果把主程序全部放入（定時）中斷中會怎么樣？這么做至少可以立即看到幾個好處:系統(tǒng)可以處于低功耗的休眠狀態(tài)，將由中斷喚醒進(jìn)入主程序;如果程序跑飛，則中斷可以拉回；沒有了主從之分（其他中斷另計），程序易于模塊化。

(題外話：這種方法就不會有何處喂狗的說法，也沒有中斷是否應(yīng)該盡可能的簡短的爭論了)

為了把主程序全部放入（定時）中斷中，必須把程序化分成一個個的模塊，即任務(wù)，每個任務(wù)完成一個特定的功能，例如掃描鍵盤并檢測按鍵。設(shè)定一個合理的時基(tick),例如5, 10或20 ms,每次定時中斷，把所有任務(wù)執(zhí)行一遍，為減少復(fù)雜性，一般不做動態(tài)調(diào)度（最多使用固定數(shù)組以簡化設(shè)計，做動態(tài)調(diào)度就接近os了），這實際上是一種無優(yōu)先級時間片輪循的變種。來看看主程序的構(gòu)成：

void main()

{

….// Initialize

while (true) {

IDLE；//sleep

}

}

這里的IDLE是一條sleep指令，讓mcu進(jìn)入低功耗模式。中斷程序的構(gòu)成

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

….

進(jìn)入中斷后，首先重置Timer,這主要針對8051, 8051自動重裝分頻器只有8-bit,難以做到長時間定時；復(fù)位stack，即把stack指針賦值為棧頂或棧底（對于pic，TI DSP等使用循環(huán)棧的mcu來說，則無此必要），用以表示與過去決裂，而且不準(zhǔn)備返回到中斷點，保證不會保留程序在跑飛時stack中的遺體。Enable_Timer_Interrupt也主要是針對8051。8051由于中斷控制較弱，只有兩級中斷優(yōu)先級，而且使用了如果中斷程序不用reti返回，則不能響應(yīng)同級中斷這種偷懶方法，所以對于8051,必須調(diào)用一次reti來開放中斷：

_Enable_Timer_Interrupt:

acall_reti

_reti:reti

下面就是任務(wù)的執(zhí)行了，這里有幾種方法。第一種是采用固定順序，由于mcu程序復(fù)雜度不高，多數(shù)情況下可以采用這種方法：

…

Enable_Timer_Interrupt;

ProcessKey();

RunTask2();

…

RunTaskN();

while (1) IDLE；

可以看到中斷把所有任務(wù)調(diào)用一遍，至于任務(wù)是否需要運(yùn)行，由程序員自己控制。另一種做法是通過函數(shù)指針數(shù)組：

#define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))

typedef void (*FUNCTIONPTR)();

const FUNCTIONPTR[] tasks = {

ProcessKey,

RunTask2，

…

RunTaskN

};

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

for (i=0; i

(*tasks[i])();

while (1) IDLE；

}

使用const是讓數(shù)組內(nèi)容位于code segment（ROM)而非data segment (RAM)中，8051中使用code作為const的替代品。

(題外話：關(guān)于函數(shù)指針賦值時是否需要取地址操作符&的問題，與數(shù)組名一樣，取決于compiler.對于熟悉匯編的人來說，函數(shù)名和數(shù)組名都是常數(shù)地址，無需也不能取地址。對于不熟悉匯編的人來說，用&取地址是理所當(dāng)然的事情。Visual C++ 2005對此兩者都支持)

這種方法在匯編下表現(xiàn)為散轉(zhuǎn),一個小技巧是利用stack獲取跳轉(zhuǎn)表入口:

movA, state

acallMultiJump

ajmpstate0

ajmpstate1

...

MultiJump:

popDPH

popDPL

rlA

jmp@A+DPTR

還有一種方法是把函數(shù)指針數(shù)組（動態(tài)數(shù)組，鏈表更好，不過在mcu中不適用）放在data segment中，便于修改函數(shù)指針以運(yùn)行不同的任務(wù)，這已經(jīng)接近于動態(tài)調(diào)度了：

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

tasks[0] = ProcessKey;

tasks[0] = RunTaskM;

tasks[0] = NULL;

...

FUNCTIONPTR pFunc;

for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)??{

pFunc = tasks[i]);

if (pFunc != NULL)

(*pFunc)();

}

通過上面的手段，一個中斷驅(qū)動的框架形成了，下面的事情就是保證每個tick內(nèi)所有任務(wù)的運(yùn)行時間總和不能超過一個tick的時間。為了做到這一點，必須把每個任務(wù)切分成一個個的時間片，每個tick內(nèi)運(yùn)行一片。這里引入了狀態(tài)機(jī)(state machine)來實現(xiàn)切分。關(guān)于state machine,很多書中都有介紹，這里就不多說了。

(題外話：實踐升華出理論，理論再作用于實踐。我很長時間不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到學(xué)習(xí)UML/C++，書中介紹tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然開朗。功夫在詩外，掌握C++,甚至C# JAVA,對理解嵌入式程序設(shè)計，會有莫大的幫助)

狀態(tài)機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)簡單，第一種方法是用swich-case實現(xiàn)：

void RunTaskN()

{

switch (state) {

case 0: state0(); break; case 1: state1(); break;

…

case M: stateM(); break;

default:

state = 0;

}

}

另一種方法還是用更通用簡潔的函數(shù)指針數(shù)組：

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };

void RunTaskN()

{

(*states[state])();

}

下面是state machine控制的例子：

void state0() { }

void state1() { state++; }//next state;

void state2() { state+=2; }//go to state 4;

void state3() { state--; }//go to previous state;

void state4() { delay = 100; state++; }

void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }???//delay 100*tick

void state6() { state=0; }//go to the first state

一個小技巧是把第一個狀態(tài)state0設(shè)置為空狀態(tài)，即：

void state0() { }

這樣，state =0可以讓整個task停止運(yùn)行，如果需要投入運(yùn)行，簡單的讓state = 1即可。

以下是一個鍵盤掃描的例子，這里假設(shè)tick = 20 ms, ScanKeyboard()函數(shù)控制口線的輸出掃描，并檢測輸入轉(zhuǎn)換為鍵碼，利用每個state之間20 ms的間隔去抖動。

enum EnumKey {

EnumKey_NoKey =0,

…

};

struct StructKey {

intkeyValue;

boolkeyPressed;

} ;

struct StructKeyProcess key;

void ProcessKey() { (*states[state])(); }

void state0() { }

void state1() { key.keyPressed = false; state++; }

void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }//next state if a key pressed

void state3()

{//debouncing state

key.keyValue = ScanKey();

if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)

state--;

else {

key.keyPressed = true;

state++;

}

}

void state4() {if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }//next state if the key released

void state5() {ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; }

上面的鍵盤處理過程顯然比通常使用標(biāo)志去抖的程序簡潔清晰，而且沒有軟件延時去抖的困擾。以此類推，各個任務(wù)都可以劃分成一個個的state,每個state實際上占用不多的處理時間。某些任務(wù)可以劃分成若干個子任務(wù)，每個子任務(wù)再劃分成若干個狀態(tài)。

(題外話：對于常數(shù)類型，建議使用enum分類組織，避免使用大量#define定義常數(shù))

對于一些完全不能分割，必須獨占的任務(wù)來說，比如我以前一個低成本應(yīng)用中紅外遙控器的軟件解碼任務(wù)，這時只能犧牲其他的任務(wù)了。兩種做法：一種是關(guān)閉中斷，完全的獨占;

void RunTaskN()

{

Disable_Interrupt;

…

Enable_Interrupt;

}

第二種，允許定時中斷發(fā)生，保證某些時基register得以更新;

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

Enable_Timer_Interrupt;

UpdateTimingRegisters();

if (watchDogCounter = 0) {

ResetStack();

for (i=0; i

(*tasks[i])();

while (1) IDLE；

}

else

watchDogCounter--;

}

只要watchDogCounter不為0，那么中斷正常返回到中斷點，繼續(xù)執(zhí)行先前被中斷的任務(wù)，否則，復(fù)位stack,重新進(jìn)行任務(wù)循環(huán)。這種狀況下，中斷處理過程極短，對獨占任務(wù)的影響也有限。

中斷驅(qū)動多任務(wù)配合狀態(tài)機(jī)的使用，我相信這是mcu下無os系統(tǒng)較好的設(shè)計結(jié)構(gòu)。對于絕大多數(shù)mcu程序設(shè)計來說，可以極大的減輕程序結(jié)構(gòu)的安排，無需過多的考慮各個任務(wù)之間的時間安排，而且可以讓程序簡潔易懂。缺點是，程序員必須花費一定的時間考慮如何切分任務(wù)。

下面是一段用C改寫的CD Player中檢測disc是否存在的偽代碼，用以展示這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計技巧，原源代碼為Z8 mcu匯編,基于Sony的DSP, Servo and RF處理芯片,通過送出命令字來控制主軸/滑板/聚焦/尋跡電機(jī)，并讀取狀態(tài)以及CD的sub Q碼。這個處理任務(wù)只是一個大任務(wù)下用state machine切開的一個二級子任務(wù)，tick = 20 ms。

state1() { InitializeMotor(); state++; }

state2() {

if (innerSwitch != ON) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);

timeout = MILLISECOND(10000)；

state++;//滑板電機(jī)向內(nèi)運(yùn)動,直至觸及最內(nèi)開關(guān)。

}

else

state +=2;

}

state3() {

if ((--timeout) == 0) {//note: some C compliers do not support (--timeout) ==

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

state = 0;// 10 s超時錯誤，

}

else {

if (innerSwitch == ON) {

SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)

timeout = MILLISECOND(200);// 200ms電機(jī)停止時間

state++;

}

}

}

state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }//等待電機(jī)完全停止

state5() {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);

timeout = MILLISECOND(2000)；

state++;

}//滑板電機(jī)向外運(yùn)動,脫離inner switch

state6() {

if ((--timeout) == 0) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

state = 0;// 2 s超時錯誤，

}

else {

if (innerSwitch == OFF) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

timeout = MILLISECOND(200);// 200ms電機(jī)停止時間

state++;

}

}

}

state7() { state4(); }

state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;}//打開激光器

state9() {

SendCommand(FocusUp);

state++;

timeout = MILLISECOND(2000)；

}//光頭上舉，檢測聚焦過零3次，判斷cd是否存在

state10() {

if (FocusCrossZero){

systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;

SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);//有cd,打開自動聚焦。

state = 0;//本任務(wù)結(jié)束。

playProcess.state = 1;//啟動play任務(wù)

}

else if ((--timeout) == 0) {

SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);//光頭聚焦復(fù)位

if ((--retryCounter) == 0) {

systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;//無盤

displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;//顯示閃爍的無盤

LaserOff();

state = 0;//任務(wù)停止

}

else

state--;//再試

}

}

stateStop() {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);

SendCommand(EnumCommand_FocusClose);

state = 0;

}