mcu由于内部资源的限制,软件设计有其特殊性,程序一般没有复杂的算法以及数据结构,代码量也不大,
通常不会使用
OS (Operating System), 因为对于一个只有 若干K
ROM, 一百多byte
RAM 的
mcu 来说,一个简单OS
也会吃掉大部分的资源。
对于无
os 的系统,流行的设计是主程序(主循环
) + (定时)中断,这种结构虽然符合自然想法,不过却有很多不利之处,首先是中断可以在主程序的任何地方发生,随意打断主程序。其次主程序与中断之间的耦合性(关联度)较大,这种做法
使得主程序与中断缠绕在一起,必须仔细处理以防不测。
那么换一种思路,如果把主程序全部放入(定时)中断中会怎么样?这么做至少可以立即看到几个好处:
系统可以处于低功耗的休眠状态,将由中断唤醒进入主程序;
如果程序跑飞,则中断可以拉回;没有了主从之分(其他中断另计),程序易于模块化。
(题外话:这种方法就不会有何处喂狗的说法,也没有中断是否应该尽可能的简短的争论了)
为了把主程序全部放入(定时)中断中,必须把程序化分成一个个的模块,即任务,每个任务完成一个特定的功能,例如扫描键盘并检测按键。
设定一个合理的时基
(tick), 例如
5, 10 或
20 ms, 每次定时中断,把所有任务执行一遍,为减少复杂性,一般不做动态调度(最多使用固定数组以简化设计,做动态调度就接近
os 了),这实际上是一种无优先级时间片轮循的变种。来看看主程序的构成:
void main()
{
…. //
Initialize
while (true) {
IDLE;
//sleep
}
}
这里的
IDLE 是一条sleep
指令,让
mcu 进入低功耗模式。中断程序的构成
void Timer_Interrupt()
{
SetTimer();
ResetStack();
Enable_Timer_Interrupt;
….
进入中断后,首先重置Timer,
这主要针对8051,
8051 自动重装分频器只有
8-bit, 难以做到长时间定时;复位
stack ,即把stack
指针赋值为栈顶或栈底(对于
pic,
TI DSP 等使用循环栈的
mcu 来说,则无此必要),用以表示与过去决裂,而且不准备返回到中断点,保证不会保留程序在跑飞时stack
中的遗体。Enable_Timer_Interrupt
也主要是针对8051。8051
由于中断控制较弱,只有两级中断优先级,而且使用了如果中断程序不用
reti 返回,则不能响应同级中断这种偷懒方法,所以对于
8051, 必须调用一次
reti 来开放中断:
_Enable_Timer_Interrupt:
acall _reti
_reti: reti
下面就是任务的执行了,这里有几种方法。第一种是采用固定顺序,由于mcu
程序复杂度不高,多数情况下可以采用这种方法:
…
Enable_Timer_Interrupt;
ProcessKey();
RunTask2();
…
RunTaskN();
while (1) IDLE;
可以看到中断把所有任务调用一遍,至于任务是否需要运行,由程序员自己控制。另一种做法是通过函数指针数组:
#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<CountOfArray (tasks), i++)
(*tasks[i])();
while
(1) IDLE;
}
使用const
是让数组内容位于
code segment (ROM)
而非
data segment (RAM) 中,8051
中使用
code 作为
const 的替代品。
(题外话:关于函数指针赋值时是否需要取地址操作符
& 的问题,与数组名一样,取决于
compiler. 对于熟悉汇编的人来说,函数名和数组名都是常数地址,无需也不能取地址。对于不熟悉汇编的人来说,用
& 取地址是理所当然的事情。Visual
C++ 2005对此两者都支持)
这种方法在汇编下表现为散转,
一个小技巧是利用
stack 获取跳转表入口:
mov
A, state
acall
MultiJump
ajmp state0
ajmp state1
...
MultiJump: pop DPH
pop
DPL
rl
A
jmp
@A+DPTR
还有一种方法是把函数指针数组(动态数组,链表更好,不过在
mcu 中不适用)放在
data segment 中,便于修改函数指针以运行不同的任务,这已经接近于动态调度了:
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)();
}
通过上面的手段,一个中断驱动的框架形成了,下面的事情就是保证每个
tick 内所有任务的运行时间总和不能超过一个
tick 的时间。为了做到这一点,必须把每个任务切分成一个个的时间片,每个
tick 内运行一片。这里引入了状态机
(state machine) 来实现切分。关于
state machine, 很多书中都有介绍, 这里就不多说了。
(题外话:实践升华出理论,理论再作用于实践。我很长时间不知道我一直沿用的方法就是state
machine,直到学习UML/C++,书中介绍
tachniques for identifying dynamic behvior,方才豁然开朗。功夫在诗外,掌握
C++, 甚至C#
JAVA, 对理解嵌入式程序设计,会有莫大的帮助)
状态机的程序实现相当简单,第一种方法是用
swich-case 实现:
void RunTaskN()
{
switch (state) {
case 0: state0(); break;
case 1: state1(); break;
…
case M: stateM(); break;
default:
state = 0;
}
}
另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组:
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
一个小技巧是把第一个状态
state0 设置为空状态,即:
void state0() { }
这样,state
=0可以让整个task
停止运行,如果需要投入运行,简单的让
state = 1 即可。
以下是一个键盘扫描的例子,这里假设
tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函数控制口线的输出扫描,并检测输入转换为键码,利用每个state
之间
20 ms 的间隔去抖动。
enum EnumKey {
EnumKey_NoKey = 0,
…
};
struct StructKey {
int
keyValue;
bool
keyPressed;
}
;
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--; }
上面的键盘处理过程显然比通常使用标志去抖的程序简洁清晰,而且没有软件延时去抖的困扰。以此类推,各个任务都可以划分成一个个的state,
每个state
实际上占用不多的处理时间。某些任务可以划分成若干个子任务,每个子任务再划分成若干个状态。
(题外话:对于常数类型,建议使用
enum 分类组织,避免使用大量
#define 定义常数)
对于一些完全不能分割,必须独占的任务来说,比如我以前一个低成本应用中红外遥控器的软件解码任务,这时只能牺牲其他的任务了。两种做法:一种是关闭中断,完全的独占;
void RunTaskN()
{
Disable_Interrupt;
…
Enable_Interrupt;
}
第二种,允许定时中断发生,保证某些时基
register 得以更新;
void Timer_Interrupt()
{
SetTimer();
Enable_Timer_Interrupt;
UpdateTimingRegisters();
if (watchDogCounter = 0) {
ResetStack();
for (i=0; i<CountOfArray (tasks),
i++)
(*tasks[i])();
while
(1) IDLE;
}
else
watchDogCounter--;
}
只要watchDogCounter
不为
0,那么中断正常返回到中断点,继续执行先前被中断的任务,否则,复位
stack, 重新进行任务循环。这种状况下,中断处理过程极短,对独占任务的影响也有限。
中断驱动多任务配合状态机的使用,我相信这是mcu
下无os
系统较好的设计结构。对于绝大多数
mcu 程序设计来说,可以极大的减轻程序结构的安排,无需过多的考虑各个任务之间的时间安排,而且可以让程序简洁易懂。缺点是,程序员必须花费一定的时间考虑如何切分任务。
下面是一段用
C 改写的CD
Player 中检测
disc 是否存在的伪代码,用以展示这种结构的设计技巧,原源代码为Z8
mcu 汇编,
基于
Sony 的
DSP, Servo and RF 处理芯片,
通过送出命令字来控制主轴/滑板/聚焦/寻迹电机,并读取状态以及
CD 的sub
Q 码。这个处理任务只是一个大任务下用state
machine切开的一个二级子任务,tick
= 20 ms。
state1() { InitializeMotor(); state++; }
state2() {
if (innerSwitch != ON)
{
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);
timeout = MILLISECOND(10000);
state++;
// 滑板电机向内运动,
直至触及最内开关。
}
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 超时错误,
}
else
{
if (innerSwitch == ON) {
SendCommand(EnumCommand
_SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200);
// 200ms电机停止时间
state++;
}
}
}
state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }
//等待电机完全停止
state5() {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);
timeout = MILLISECOND(2000);
state++;
}
// 滑板电机向外运动,脱离inner
switch
state6() {
if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;
state = 0;
// 2
s 超时错误,
}
else {
if (innerSwitch == OFF) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200);
// 200ms电机停止时间
state++;
}
}
}
state7() { state4(); }
state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;}
//打开激光器
state9() {
SendCommand(FocusUp);
state++;
timeout = MILLISECOND(2000);
}
//光头上举,检测聚焦过零
3 次,判断cd
是否存在
state10() {
if (FocusCrossZero) {
systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;
SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);
//有cd,
打开自动聚焦。
state
= 0;
//本任务结束。
playProcess.state
= 1;
//启动
play 任务
}
else if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);
//光头聚焦复位
if ((--retryCounter) == 0) {
systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;
//无盘
displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;
//显示闪烁的无盘
LaserOff();
state = 0;
//任务停止
}
else
state--;
//再试
}
}
stateStop()
{
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);
SendCommand(EnumCommand_FocusClose);
state
= 0;
} |