嵌入式系統基本思想分層與時間片分析

1. 分層思想

分層的思想，并不是什么神秘的東西，事實上很多做項目的工程師本身自己也會在用。分層結構確是很有用的東西，參透后會有一種恍然大悟的感覺。

如果說我不懂LCD怎么驅動，那好辦，看一下datasheet，參考一下別人的程序，很快就可以做出來。但是如果不懂程序設計的思想的話，會給你做項目的過程中帶來很多很多的困惑。

參考了市面上各種各樣的嵌入式書籍，MCS-51，AVR ，ARM 等都有看過，但是沒有發現有哪本是介紹設計思想的，就算有也是鳳毛麟角。寫程序不難，但是程序怎么樣才能寫的好，寫的快，那是需要點經驗積累的。

結構化、模塊化的程序設計的思想，是最基本的要求。然而怎么將抽象的概念運用到工程實踐中呢？那需要在做項目的過程中經歷磨難，將一些東西總結出來，抽象升華為理論，對經驗的積累和技術的傳播都大有裨益。

一個就是“時間片輪的設計思想”，這個對實際中解決多任務問題非常有用，通常可以用這個東西來判斷一個人是單片機學習者，還是一個單片機工程師。這個必須掌握。（下文將介紹）。

?第二個就是“分層屏蔽的設計思想”即分層思想。下面用掃描鍵盤程序例子作為引子，引出今天說的東西。

問題的提出

單片機學習板一般為了簡單起見，將按鍵分配的很好，例如整個 4*4 的鍵盤矩陣分配到 P1 口上面，8條控制線，剛好。這樣的話程序也非常好寫。只需要簡單的：KEY_DAT= P1; 端口的數據就讀進來了。

誠然，現實中沒有這么好的事情。在實際的項目應用當中，單片機引腳的復用相當厲害，這跟那些所謂的單片機學習板就有很大的差別了。

另外一個原因，一般設計來說，是“軟件配合硬件”的設計流程，簡單點說就是，先確定好硬件原理圖，硬件布線，最后才是軟件的開發。因為硬件修改起來比較麻煩，相對來說軟件修改的時候比較好改。這個就是中國傳統的陰陽平衡哲學原理。

硬件設計和軟件設計本來就是魚和熊掌的關系，兩者不可兼得。方便了硬件設計，很可能給寫軟件帶來很大的麻煩。反過來說，方便了軟件設計，硬件設計也會相當的麻煩。如果硬件設計和軟件設計同時方便了，那只有兩種可能，一是這個設計方案非常簡單，二是設計師已經達到了一個非常高的境界。我們不考慮那么多情況，單純從常用的實際應用的角度來看問題。

硬件為了布線的方便，很多時候會可能將IO口分配到不同的端口上面，例如上面說的4*4鍵盤，8根線分別分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么，開發板的那些掃描鍵盤程序可以去見鬼了。怎么掃按鍵？我想起了我剛開始學習的時候，分成3段非常相似的程序，一個一個按鍵的掃描的經歷...... 或許有人不甘心，“那些東西我花了很長時間學習的，也用的好好的，怎么能說一句不用就不用？”雖然有點殘忍，但是我還是想說“兄弟，接受現實吧，現實是殘酷的......”

不過，人區別于低等動物的差別，是人會創造，在碰到困難的時候會想辦法解決，于是我們開始了沉思......

最后我們引入初中數學學的“映射”的概念來解決問題。基本思想就是，將不同端口的按鍵映射到相同端口上面。

這樣按鍵掃描程序就分成3個層次了：

1）最底層的是硬件層，完成端口掃描，20ms延時消抖，將端口的數據映射到一個KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作為對上層驅動層的一個接口。

2）中間的一層是驅動層，驅動層只對 KEY_DAT 寄存器的數值進行操作。簡單點說，我們無論底層的硬件是怎么接線的，在驅動層都不需要關心，只需要關心 KEY_DAT 這個寄存器的數值是什么就可以了。這樣出來的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”，所以驅動層寫的程序就可以通用了。

驅動層的另外一個功能是為上層提供消息接口。我們用了類似window程序的消息的概念。這里可以提供一些按鍵消息，例如：按下消息，松開消息，長按鍵消息，長按鍵的時候的步進消息，等等。

3）應用層。這里就是根據項目的不同分別寫按鍵功能程序，屬于最上層的程序。它使用的是驅動層提供的消息接口。在應用層寫程序的思想就是，我不管下層是怎么工作的，我只關心按鍵消息。有按鍵消息來的時候我就執行功能，沒有消息來的時候，我就什么也不做。

下面用一個簡單的常用的例子，說明這個設計思想的用法。

秒表調整時間的時候，要求按著某個按鍵不放，時間能連續的向上增加。這個東西很實用，實際的家電中用途很廣泛。

在看下面的東西之前，大家可以想一下，這東西難嗎？相信大家都會很響亮的回答，“不難！！”，然而我再問：“這東西麻煩嗎？”我相信很多人肯定會說“很麻煩！！” 這不禁讓我想起開始學單片機的時候寫這種按鍵的那程序，亂七八糟的結構。如果不相信的話，可以自己用51寫一下哦，那樣就更加能體會本文說的分層結構的優越性。

項目要求： 兩個按鍵，分別分配在P10 和P20，分別是“加”“減”按鍵，要求長按鍵的時候實現連續加和連續減的功能。

實戰： 假設按鍵上拉，沒有按鍵的時候高電平，有按鍵的時候低電平，另外，為了突出問題，這里沒有將延時消抖的程序寫上去，在實際項目中應該加上。

C語言函數參數的傳遞多種多樣，這里作為例子，用了最簡單的全局變量來傳遞參數，當然你也可以用 unsigned charReadPort(void) 返回一個讀鍵結果，甚至還可以 void ReadPort(unsigned char*pt) 用一個指針變量傳遞地址而達到直接修改變量的目的。方法是多種多樣的，這個決定于每個人的程序風格。 ?

1）開始寫硬件層程序，完成映射

#defineKYE_MIN  0X01
#defineKEY_PLUS  0X01


unsignedchar KeyDat;


voidReadPort(void)
{
  if (P1 & KEY_PLUS == 0 )  
  {    
    KeyDat |= 0x01 ;
??}
??
??if?(P2?&?KEY_MIN??==?0?)
??{
??  KeyDat?|=?0x02?;??
??}
}

C語言應該很容易看懂吧？如果 KEY_PLUS 按下，P10口讀到低電平，則 P1 &KEY_PLUS 的結果為 0 (xxxx xxx0 & 0000 0001)，滿足if 的條件，進入KeyDat |=0x01 ?是將 KeyDat 的bit0 置一，也就是說，將 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0

KEY_MIN是同樣的道理映射到 KeyDat 的 bit1，如果 KeyDat 的 bit0 為 1 ，則說明 KEY_PLUS 按下，反則亦然。

不需要想的很神秘，映射就是這么一回事。如果還有其他按鍵的話，用同樣的辦法，將他們全部映射到 KeyDat 上面。

2）驅動層程序編寫

如果將 KeyDat想象成 P1 口，那么這個跟學習板那標準的掃描程序不就是一樣了嗎？對的，這個就是底層映射的目的了。

3）應用層程序編寫

根據消息，硬件層是必須分離出來，然而驅動層和應用層的要求就不那么嚴格了，事實上一些簡單的項目沒有必要將這兩層分離開來，根據實際應用靈活應對就可以了。

其實這樣寫程序是很方便移植的，根據板子的不同而適當的修改一下硬件層那個 ReadPort 函數就完成了，驅動層和應用層很多代碼可以不經過修改直接用，很能提高開發效率的。

當然這個按鍵程序會存在一定的問題，特別是遇到常閉按鍵和點觸按鍵的混合使用的場合。這個留給大家自己去想了，反正問題總是能找到解決辦法的，盡管方法有好有壞。

2. 時間片輪設計思想

先用一個小例子引出這個主題，想象一下，一個基本的家電控制板，肯定或多或少的會包含：LED 或者數碼管顯示，按鍵，繼電器或者可控硅的輸出這3部分。數碼管需要 10ms到20ms的動態掃描，按鍵也需要20ms左右的延時消抖，有沒有意識到，其實這些時間是同時在進行的。

回想一下咱們的教科書怎么教按鍵的延時消抖的？沒錯，死循環，絕對是原地踏步死循環，用指令來計時。

這樣很自然的引發一個問題，單片機在原地踏步死循環的話，那么其它的工作怎么辦？如數碼管的動態掃描怎么辦？唯有等按鍵掃描之后再進行了，這樣出來的效果，數碼管肯定會閃爍的，掃描時間過長了，縮短按鍵消抖時間也不是解決辦法，想象如果咱們還有其它很多工作也是同時做的呢？解決辦法之一，就是今天的主題，分時掃描的思想。

當然不會是唯一的辦法，只不過俺一直在用，覺得這個是非常不錯的思想，可以解決很多實際問題。大膽妄言一下，分時掃描的思想也是單片機編程最核心的思想了，信不信就由你自己判斷了。

核心思想的實現： 其實是幾個步驟

第一、用RTC中斷來計時，RTC的中斷時間短一點，我習慣是125us ，為了解紅外遙控的碼，這個時間是需要的。RTC計時是相當準的，盡量利用。

第二、在RTC的中斷服務程序里面放3個（數量自定）記時器（說白了就是計數器），我的習慣是 2ms 5ms 500ms 這3個是作為基準時間，提供給整個系統來調用的，所以必須準確一點，實際用示波器調一下就OK了，不難。

第三、在主程序的循環里面放一個專門處理時間的子程序。（注：單片機是不會停的，永遠在不斷循環的跑，這個跟學校學的貌似有點不同，面試的時候被問過這個問題 ….） ?將所有的時間處理都放在時間處理子程序里面做，這樣是非常方便的，一個單片機系統最起碼需要處理 10～20個不同的時間，也需要10～20個計時器了，而且相當多要求同時不同步工作的，如果每個都單獨的話是相當的麻煩。

第四、“程序是跑著來等，而不是站著來等”，這話看來有點玄，一個跟俺一起進去公司的工程師討論的時候提到的這個問題，俺覺得這個也是分時系統的一個比較重要的思想，所以也這樣叫，下面有細說。

第五、下面用程序來說話，注釋盡量詳細，可以不用看代碼，直接看注釋就可以了。

（一）先中斷服務程序部分:

每 125us 中斷一次 ------------產生幾個基準時間-----

（1） ref_2ms寄存器不斷的減1，每次中斷減1，一共減 16次，所以這里經過的時間是 125us × 16 ＝ 2ms，這個就是所謂的計時/計數器了。這樣就可以靠一個系統的RTC中斷，來實現我們需要的很多個定時時間。

（2）置2ms 計時結束標志，這個是提供給時間處理程序用的，這是一個計時器的框架，下面的5ms計時完全相同。

這程序還用了一個塊的框架，比較方便的，不過跟今天的主題無關。上面的程序就是中斷服務程序里面的計時器，分別定時 2ms 5ms 500ms，計時完畢溢出是flag_time 標志來記錄的，程序通過讀這個標志就可以知道定時的時間是否已經到了。

（二）下面看那個統一的時間服務子程序

上面用了按鍵20ms消抖的計時器作為例子，如果理解之后就可以發現，我們可以完全模仿那個計時器而在下面放很多很多的計時器，每5ms 進來一下，每個計時器都同時在計數了，誰先計算完畢就先關掉自己，置相應的標志給其它程序調用，而對其它計時器完全沒有影響！這樣，我們可以在這里放很多個計時器了，一般來說，十來二十個是沒有問題的，完全滿足一個單片機系統對多個時間的需求了。

單個計時器的結構很簡單，先判斷允許計時標志是否進入計時，然后一個專用的寄存器在加1或者減1，加/減相應的數值之后也就是相應的時間到了，關掉計時器，置相應需要用到的標志。

到這里差不多了，我們需要的時間都可以出來了，這樣做是不是非常方便？咱們再來看看在這段時間里單片機在做了什么東西？有中斷計時夠 5ms 或者 500ms ，那個溢出標志才有效，才能進入上面的計時程序，其它時間都是在做其它事情。

而且進入上面的計時器的時候，可以看出，并不是在那里死循環，只是單純的加減一下寄存器就退出了，整個過程耗時極其短，看代碼不同吧，5us到 20us左右吧，對主程序的執行沒有什么影響。

（三）下面看看具體怎么調用

最開始談過的按鍵的消抖時間處理問題，現在就用上面介紹的辦法來看具體怎么解決問題。按鍵的處理也是重要的基礎學問，不過不在本次的討論范圍，所以只是單單的討論怎么解決時間問題，而對于按鍵的一些問題，下次有機會繼續討論吧。

大概是這樣的：判斷什么時候有健，沒有的話跳出，有的話開始延時消抖的計時，第二次進來的時候直接由標志位控制過去判斷時間時候夠。

同樣是等待，這里就是最后一點所說的，咱這是跑著來等，不是站著來等。跟死循環定時比較，在沒有定時到20ms 的這段時間里面單片機在做什么？

死循環的話，肯定就是在原地等，什么都不做，而看看上面的程序，他只是判斷是否定時夠，具體的定時在統一的時間子程序里面做，判斷沒有到時間的話就跳出了，繼續跑其它的程序，直到當時間到了，單片機判斷出flag_delay,key_flow 符合條件，開始進入按鍵處理程序了，在這個期間，單片機都在做其它事情，只是一個主循環跑回來判斷一次，所以單片機完全有空跑其它的程序，而沒有將時間都耗在消抖上面。

（四）看看我的主程序循環體

這個就是循環體了，所有功能都做成子程序形式了，需要就掛上去就可以了，比較方便，這樣一個總的循環體，單片機就是在不斷的執行這個循環體，如果整個程序都采用上面說的分時掃的思想的話，一周循環回來的時間是相當短的，其實是不是跟電腦的思想有點像呢？電腦再快也并不是同時處理多個任務，而且每次處理一個，然后非常快的速度來循環處理，讓我們感覺上他是在同時處理多個程序那樣，我想，我最終想表達的思想也就是這個而已。

在我看來，有這個思想支撐下，單片機的程序變得比較容易上手了，剩下的只是集中精力去用程序來實現我們的思想而已，當然，這里只是說一種可行的辦法而已，不是說只有這種辦法，如果大家有好的思想也分享一下哦，編寫程序是一門藝術，寫出來很容易，但是寫得好，寫得精巧，那就很難了。