嵌入式C語言輕量級程序架構內核編寫
1.瞭解程序架構概念和作用
在寫單片機程序的時候往往會遇見下面的情況
- 1、產品功能需要很多不同的延時效果，又不能用delay死延時，比方說按鍵檢測、
led不同閃爍效果。 - 2、程序功能一多起來，整個腦子就混亂瞭，不知道這麼整合起來。
- 3、不同功能區域的除瞭共享全局變量或數組以外不知道該怎麼做。
實時操作系統rtos、ucos、linux系統，都是好的程序架構，它們就為開發者提供瞭系統實時性好、可靠性高、可移植性強等保障。工程師不需要研究復制的數據結構和算法，比如任務分配、任務調度、內存管理、消息機制等等，隻需要學習使用系統就夠瞭。
2.瞭解單片機常見的程序架構
- 1、傳統順序執行的程序架構
最多的時候，單片機程序都是使用while死循環，然後順序執行各種函數，這種程序設計比較簡單。
#include <stdio.h>
int main()
{
keys = KeyScan();
while(1)
{
if (keys ==1)
{
//
}
}
return 0;
}
缺點就是隻適合做小項目，程序大瞭以後邏輯一定會非常混亂，實時性，穩定性，移植性差。
- 2、實時操作系統
比如ucos、rtos，用戶使用這些系統就隻需要把系統移植好能跑起來就行。這種架構的優點就是它自身就是一個穩定性、實時性高的，有的甚至提供瞭圖形gui和網絡tcp/ip等強大的功能。
缺點就是占用內存資源比較嚴重，移植起來比較復雜，應用以後如果不去深耕，系統架構的工作原理出瞭問題就會無從下手。所以這種系統一般針對大型項目，對某些功能有需要，比如帶屏幕的需要做大量界面的，或者帶網絡通信的。
- 3、輕量級的程序架構
這個程序架構的定位是能夠應用在大多數的中低端單片機，占用單片機內存資源比較少，在1kb左右。
3.輕量級程序架構設計思想
主要分為兩個部分：
- 1、程序架構系統內核
- 2、任務通訊
系統內核用於任務的統一分配管理。
任務通信就是不同模塊間的通信，比如說硬件層和應用層的數據傳遞，這個就是通過回調函數來實現的。
本文的重點就是為瞭編寫一個有任務分配、任務調度的系統內核代碼。能滿足移植性高，穩定性強，實時性好的特點。
4.程序架構內核代碼的實現原理
內核代碼主要是用來分配任務和任務調度的，任務就是各功能模塊輪詢的處理函數。分配任務就是創建任務，把各功能模塊處理函數加入到任務管理列表裡。
任務調度就是定時喚醒和休眠任務列表裡的任務。
這裡的喚醒就是調用，休眠就是把任務掛起，不讓它執行。
程序架構的系統內核工作流程：
任務初始化：包括硬件的初始化，如gpio的配置，定時器初始化，串口初始化等等。然後任務的創建和任務執行函數的初始化。
任務調度：即我們傳統的while（1）循環裡面輪詢的函數，隻是我們為每一個任務提供不一樣的時間節拍，還可以讓任意一個任務進入休眠。
5.掌握輕量級程序架構內核編寫
系統內核說白瞭就是寫一個任務的管理程序，通過這個程序可以更加靈活控制整個程序的允許狀態，特別是需要做低功耗的產品來說。
系統內核主要完成以下工作：
- 1、任務創建
- 2、任務調度
- 3、任務掛起
- 4、任務休眠
優點：
- 1、可以為每個任務提供不同時鐘節拍。
- 2、可以靈活控制每個任務的執行狀態。
- 3、實時性更高
- 4、程序流程更加清晰
- 5、更適合做低功耗
OS_System.c代碼和OS_System.h代碼
#include "OS_System.h"
volatile OS_TaskTypeDef OS_Task[OS_TASK_SUM];
CPUInterrupt_CallBack_t CPUInterrupptCtrlCBS;
/********************************************************************************************************
* @函數名 OS_CPUInterruptCBSRegister
* @描述 註冊CPU中斷控制函數
* @參數 pCPUInterruptCtrlCBS-CPU中斷控制回調函數地址
* @返回值 無
* @註意 無
********************************************************************************************************/
void OS_CPUInterruptCBSRegister(CPUInterrupt_CallBack_t pCPUInterruptCtrlCBS)
{
if(CPUInterrupptCtrlCBS == 0)
{
CPUInterrupptCtrlCBS = pCPUInterruptCtrlCBS;
}
}
/********************************************************************************************************
* @函數名 OS_TaskInit
* @描述 系統任務初始化
* @參數 無
* @返回值 無
* @註意 無
********************************************************************************************************/
void OS_TaskInit(void)
{
unsigned char i;
for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++)
{
OS_Task[i].task = 0;
OS_Task[i].RunFlag = OS_SLEEP;
OS_Task[i].RunPeriod = 0;
OS_Task[i].RunTimer = 0;
}
}
/*******************************************************************************
* Function Name : void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), OS_TIME_TYPEDEF TimeDly, bool flag)
* Description : 創建任務
* Input : - ID：任務ID
* - (*proc)() 用戶函數入口地址
* - TimeDly 任務執行頻率，單位ms
* - flag 任務就緒狀態 OS_SLEEP-休眠 OS_RUN-運行
* Output : None
* Return : None
* Attention : None
*******************************************************************************/
void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), unsigned short Period, OS_TaskStatusTypeDef flag)
{
if(!OS_Task[ID].task)
{
OS_Task[ID].task = proc;
OS_Task[ID].RunFlag = OS_SLEEP;
OS_Task[ID].RunPeriod = Period;
OS_Task[ID].RunTimer = 0;
}
}
/********************************************************************************************************
* @函數名 OS_ClockInterruptHandle
* @描述 系統任務調度函數
* @參數 無
* @返回值 無
* @註意 為瞭保證任務實時性，這個必須放在10ms的定時器或系統時鐘中斷函數裡
********************************************************************************************************/
void OS_ClockInterruptHandle(void)
{
unsigned char i;
for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++) //這個循環是對所有的任務執行一次以下操作。
{
if(OS_Task[i].task) //通過task函數指針指向不等於0來判斷任務是否被創建
{
OS_Task[i].RunTimer++;
if(OS_Task[i].RunTimer > OS_Task[i].RunPeriod) //判斷計時器值是否到達任務需要執行的時間
{
OS_Task[i].RunTimer = 0;
OS_Task[i].RunFlag = OS_RUN;//把任務的狀態設置成執行，任務調度函數會一直判斷這個變量的值，如果是OS_RUN就會執行task指向的函數。
}
}
}
}
/*******************************************************************************
* Function Name : void OS_Start(void)
* Description : 開始任務
* Input : None
* Output : None
* Return : None
* Attention : None
*******************************************************************************/
void OS_Start(void)
{
unsigned char i;
while(1)
{
for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++)
{
if(OS_Task[i].RunFlag == OS_RUN)
{
OS_Task[i].RunFlag = OS_SLEEP;
(*(OS_Task[i].task))();
}
}
}
}
/*******************************************************************************
* Function Name : void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID)
* Description : 喚醒一個任務
* Input : - taskID：需要被喚醒任務的ID
* Output : None
* Return : None
* Attention : None
*******************************************************************************/
void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID)
{
unsigned char IptStatus;
if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
{
CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_ENTER_CRITICAL,&IptStatus);//在這裡關閉單片機總中斷
}
OS_Task[taskID].RunFlag = OS_RUN;
if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
{
CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_EXIT_CRITICAL,&IptStatus);//在這裡開啟單片機總中斷
}
}
/*******************************************************************************
* Function Name : void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID)
* Description : 掛起一個任務，讓一個任務進入睡眠狀態，該函數暫時沒用到
* Input : - taskID：需要被掛起任務的ID
* Output : None
* Return : None
* Attention : None
*******************************************************************************/
void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID)
{
unsigned char IptStatus;
if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
{
CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_ENTER_CRITICAL,&IptStatus);//在這裡關閉單片機總中斷
}
OS_Task[taskID].RunFlag = OS_SLEEP;
if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
{
CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_EXIT_CRITICAL,&IptStatus);//在這裡開啟單片機總中斷
}
}
typedef enum
{
CPU_ENTER_CRITICAL, //CPU進入臨界
CPU_EXIT_CRITICAL, //CPU退出臨界
}CPU_EA_TYPEDEF;
//定義一個CPU中斷控制回調函數指針,別名CPUInterrupt_CallBack_t,
typedef void (*CPUInterrupt_CallBack_t)(CPU_EA_TYPEDEF cmd,unsigned char *pSta);
//系統任務ID
typedef enum
{
OS_TASK1,
OS_TASK_SUM
}OS_TaskIDTypeDef;
//系統任務運行狀態,暫時沒用到
typedef enum
{
OS_SLEEP, //任務休眠
OS_RUN=!OS_SLEEP //任務運行
}OS_TaskStatusTypeDef;
//系統任務結構體
typedef struct
{
void (*task)(void); //任務函數指針
OS_TaskStatusTypeDef RunFlag; //任務運行狀態
unsigned short RunPeriod; //任務調度頻率
unsigned short RunTimer; //任務調度計時器
}OS_TaskTypeDef;
/* 函數聲明 */
/*******************************************************************************/
void OS_CPUInterruptCBSRegister(CPUInterrupt_CallBack_t pCPUInterruptCtrlCBS);
void OS_ClockInterruptHandle(void);
void OS_TaskInit(void);
void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), unsigned short TimeDly, OS_TaskStatusTypeDef flag);
void OS_Start(void);
void OS_ClockInterruptHandle(void);
void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID);
void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID);
6.掌握輕量級程序架構內核移植
瞭解ucos或者其他操作系統的朋友都知道，單片機想要跑這些實時操作系統，必須進行系統的移植，移植就是把單片機的硬件資源，比如說中斷的打開和關閉，定時器，堆棧的處理等和ucos系統的內核關聯起來，比如說我們這個內核文件需要關閉中斷瞭，那麼它是不知道你是用什麼單片機，要怎麼關閉單片機中斷的，隻要靠你來寫一個關閉中斷的函數，然後把這個函數地址賦值給它們的相關函數指針變量。同樣的，我們這個系統內核也是需要用到單片機一些資源的，比如說10ms的定時時間，打開和關閉中斷。所以我們單片機來實現這個過程就叫移植，那麼我們這個內核移植非常簡單，大傢可以通過這個來理解一些操作系統的移植原理也會比較容易，移植的流程：
- 1、把
OS_ClockInterruptHandle（）函數放到單片機定時器中斷處理函數裡，定時頻率10ms - 2、重寫單片機總中斷開關
- 3、通過
OS_CPUInterruptCBSRegister（）函數把內核中斷處理函數指針指向單片機總中斷開關處理函數。
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