单片机裸机程序框架是怎样炼成的？

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gaosmile 发布时间：2020-8-26 23:07

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前言

前不久，我有位做测试的朋友转去做开发的工作，面试遇到了一个问题，他没明白，打电话问了我。题目大概就是：

在单片机裸机开发时，单片机要处理多个任务，此时你的程序框架是怎样的呢？

这其实是个经典面试问题，我以前面试也被问过。

答案一：轮询系统

代码结构如：

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int main(void)
{
init_something();

while(1)
{
  do_something1();
      do_something2();
      do_something3();
}
}

这种结构大概是我们初学单片机的时候的代码结构。在没有外部事件驱动时，可以较好使用。

只答出了这种情况，印象分估计会比较低，多半凉凉。

答案二：前后台系统

代码结构如（该代码来自《RT-Thread内核实现与应用开发实践指南》）：

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int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
/* 硬件相关初始化 */
HardWareInit();

/* 无限循环 */
for (;;) {
if (flag1) {
   /* 处理事情 1 */
   DoSomething1();
}

if (flag2) {
   /* 处理事情 2 */
   DoSomethingg2();
}

if (flag3) {
   /* 处理事情 3 */
   DoSomethingg3();
}
}
}

void ISR1(void)
{
/* 置位标志位 */
flag1 = 1;
/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething1();
}

void ISR2(void)
{
/* 置位标志位 */
flag2 = 2;

/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething2();
}

void ISR3(void)
{
/* 置位标志位 */
flag3 = 1;
/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething3();
}

此处，中断称为前台，main中的while循环称为后台。相比于循环系统，这种方式相对可以提高外部事件的实时响应能力。

可以回答出这种情况，印象分大概一半以上，会再细问。

答案三：升级版前后台系统（软件定时器法）

以前，学C语言时，常常听到有人说：指针是C语言的灵魂，没学会指针就是没学会C语言。。

后来，学单片机时，又听到有人说：中断和定时器是单片机的灵魂，没掌握中断与定时器就没学会单片机。。

大佬们都那么说了，那就拿定时器来搞点事情。定时器浑身都是宝，本篇笔记我们来介绍使用定时器（系统滴答定时器或者其它定时器）来做的裸机框架。软件定时器法也有另一种说法：时间片轮询法。

可以回答出这种情况，这场面试多半稳了。

下面以STM32单片机为例看看这种方法的使用。

站在巨人的肩膀上

开源项目—— MultiTimer ，项目仓库地址：

http://github.com/0x1abin/MultiTimer

1、MultiTimer 简介

MultiTimer 是一个软件定时器扩展模块，可无限扩展你所需的定时器任务，取代传统的标志位判断方式，更优雅更便捷地管理程序的时间触发时序。

2、MultiTimer 的demo

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#include "multi_timer.h"

struct Timer timer1;
struct Timer timer2;

void timer1_callback()
{
printf("timer1 timeout!\r\n");
}

void timer2_callback()
{
printf("timer2 timeout!\r\n");
}

int main()
{
timer_init(&timer1, timer1_callback, 1000, 1000); //1s loop
timer_start(&timer1);

timer_init(&timer2, timer2_callback, 50, 0); //50ms delay
timer_start(&timer2);

while(1) {

timer_loop();
}
}

void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
timer_ticks(); //1ms ticks
}
3、MultiTimer 的移植、剖析

想要对MultiTimer 进行深入学习可阅读项目源码及如下这篇文章：

第6期 | MultiTimer，一款可无限扩展的软件定时器

自己动手，丰衣足食1、代码模板

准备一个定时器，可以是系统滴答定时器，也可以是TIM定时器，使用这个定时器拓展出多个软件定时器。

比如我们系统中有三个任务：LED翻转、温度采集、温度显示。此时我们可以使用一个硬件定时器拓展出3个软件定时器，定义如下宏定义：

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#define  MAX_TIMER          3          // 最大定时器个数
EXT volatile unsigned long g_Timer1[MAX_TIMER];
#define  LedTimer          g_Timer1[0]  // LED翻转定时器
#define  GetTemperatureTimer  g_Timer1[1]  // 温度采集定时器
#define  SendToLcdTimer    g_Timer1[2]  // 温度显示定时器

#define  TIMER1_SEC       (1)             // 秒
#define  TIMER1_MIN       (TIMER1_SEC*60)  // 分

在定时器初始化的时候也顺便给三个软件定时器进行初始化操作：

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/********************************************************************************************************
** 函数: TIM1_Init, 通用定时器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数: arr：自动重装值 psc：时钟预分频数
** 说明: 定时器溢出时间计算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft
** 返回: void
********************************************************************************************************/
void TIM1_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);

/* 定时器TIM1初始化 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_ClearFlag(TIM1,TIM_FLAG_Update );

/* 中断使能 */
TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update, ENABLE );

/* 中断优先级NVIC设置 */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =  TIM1_UP_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

// 全局定时器初始化
for(int i = 0; i < MAX_TIMER; i++)
{
  g_Timer1 = 0;
}
}

在定时器中断中对这些软件定时器进行定时值做递减操作：

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/********************************************************************************************************
** 函数: TIM1_IRQHandler,  定时器1中断服务程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数: 无
** 返回: 无
********************************************************************************************************/
void TIM1_UP_IRQHandler(void) //TIM1中断
{
uint8 i;

if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) != RESET)  // 检查TIM1更新中断发生与否
{
  //-------------------------------------------------------------------------------
  // 各种定时间器计时
  for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++)    // 定时时间递减
if( g_Timer1 ) g_Timer1-- ;
  TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);    //清除TIMx更新中断标志
}
}

我们在各个定时任务中给这些软件定时器赋予定时值，这些定时值递减到0则该任务会被触发执行，比如：
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void Task_Led(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定时时间
if(LedTimer) return;
LedTimer = 1 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// LED任务主体
LedToggle();
}

void Task_GetTemperature(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定时时间
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 温度采集任务主体
GetTemperature();
}

void Task_SendToLcd(void)
{
//----------------------------------------------------------------
// 等待定时时间
if(LedTimer) return;
LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
//----------------------------------------------------------------
// 温度显示任务主体
LcdDisplay();
}

如此一来，每过1、2、4秒则分别触发LED翻转任务、温度采集任务、温度显示任务。
这里配置的最小定时单位为1秒，当然根据实际需要进行配置（定时器初始化），定时器初始化可以放在系统统一初始化函数里：
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/********************************************************************************************************
** 函数: SysInit, 系统上电初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数:
** 说明:
** 返回:
********************************************************************************************************/
void SysInit(void)
{
CpuInit();                // 配置系统信息函数
SysTickInit();             // 系统滴答定时器初始化函数
UsartInit(115200);       // 串口初始化函数，波特率115200
TIM1_Init(2000-1, 36000-1); // 定时周期1s
LedInit();                // Led初始化
TemperatureInit();       // 温度传感器初始化
LcdInit();                // LCD初始化
}

此时我们的main函数就可以设计为：
int main(void)
{
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 上电初始化函数
SysInit();

//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// 主程序
while (1)
{
  //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  // 定时任务
  Task_Led();
  Task_GetTemperature();
  Task_SendToLcd();
}
}

主函数主要是进行系统上电的一些初始化操作，接着是调用各定时任务函数。
本demo使用定时器1来扩展出3个软件定时器，如果TIM资源不够用，可以换用系统滴答定时器来做。如：

其中，时间基数可以根据实际需要进行调整。
2、实践（代入法）
套用以上模板，分享我的一个实例：

需要思考及注意的问题是给每个任务的定时值设置多大合适？这也是一些朋友有疑问的，这只能是自己对自己的任务做考虑，具体情况具体分析，给经验值、调试调整。
就如同常常有人问定义多大的数组合适？在使用RTOS时每个线程的线程栈大小设置多大合适、优先级设置为多少合适？这些都是需要我们自己进行思考的。
有模板/轮子套用是好事，但有些问题不能单单依靠模板，否则有可能把自己给套进去。
以上是以STM32为例的，其它单片机也是可以用这样子的思想的，包括51单片机。
面对文首提到的面试问题，若是可以提到使用软件定时器来处理，进一步能清楚地表达出来，再进一步能写出一些伪代码，那这场面试多半是稳了。
不仅仅是为了面试，本文的方法是很经典的，小编曾经接触的产品项目中就有用到，很实用，值得学习掌握。方法掌握多了，实际应用的时候想用屠龙刀还是倚天剑根据实际情况选择使用即可。
以上就是本次的分享，如有错误，欢迎指出，谢谢。