高手談單片機(jī)裸奔的程序框架

從07年參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽初次接觸單片機(jī)開(kāi)發(fā)至今已經(jīng)有4年了，初學(xué)單片機(jī)時(shí)，都會(huì)糾結(jié)于其各個(gè)模塊功能的應(yīng)用，如串口（232，485）對(duì)各種功能IC的控制,電機(jī)控制PWM，中斷應(yīng)用，定時(shí)器應(yīng)用，人機(jī)界面應(yīng)用，CAN總線等. 這是一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中必需的階段，是基本功。很慶幸，在參加電子設(shè)計(jì)大賽賽前培訓(xùn)時(shí)，MCU周圍的控制都訓(xùn)練的很扎實(shí)。經(jīng)過(guò)這個(gè)階段后，后來(lái)接觸不同的MCU就會(huì)發(fā)現(xiàn)，都大同小異，各有各的優(yōu)勢(shì)而已，學(xué)任何一種新的MCU都很容易入手包括一些復(fù)雜的處理器。而且對(duì)MCU的編程控制會(huì)提升一個(gè)高度概況——就是對(duì)各種外圍進(jìn)行控制(如果是對(duì)復(fù)雜算法的運(yùn)算就會(huì)
用DSP了），而外圍與MCU的通信方式一般也就幾種時(shí)序：IIC,SPI,intel8080,M6800。這樣看來(lái)MCU周圍的編程就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的東西了。
然而這只是嵌入式開(kāi)發(fā)中的一點(diǎn)皮毛而已，在接觸過(guò)多種MCU,接觸過(guò)復(fù)雜設(shè)計(jì)要求，跑過(guò)操作系統(tǒng)等等后，我們?cè)诨氐絾纹瑱C(jī)的裸機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)，就不知不覺(jué)的就會(huì)考慮到整個(gè)程序設(shè)計(jì)的架構(gòu)問(wèn)題；一個(gè)好的程序架構(gòu)，是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師和一個(gè)初學(xué)者的分水嶺。
以下是我對(duì)單片機(jī)程序框架以及開(kāi)發(fā)中一些常用部分的認(rèn)識(shí)總結(jié)：
任何對(duì)時(shí)間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時(shí)候我們只有增加硬件成本來(lái)消滅它；比如你要8個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示，我們?cè)跊](méi)有相關(guān)的硬件支持的時(shí)候必須用MCU以動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)使其工作良好；而動(dòng)態(tài)掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負(fù)擔(dān)很重的場(chǎng)合，我會(huì)選擇選用一個(gè)類似max8279外圍ic來(lái)解決這個(gè)困擾；
然而慶幸的是，有著許多不是對(duì)時(shí)間要求苛刻的事情：
例如鍵盤的掃描，人們敲擊鍵盤的速率是有限的，我們無(wú)需實(shí)時(shí)掃描著鍵盤，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下；然而這個(gè)幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情；
單片機(jī)雖然是裸機(jī)奔跑，但是往往現(xiàn)實(shí)的需要決定了我們必須跑出操作系統(tǒng)的姿態(tài)——多任務(wù)程序；
比如一個(gè)常用的情況有4個(gè)任務(wù)：
1 鍵盤掃描；
2 led數(shù)碼管顯示；
3 串口數(shù)據(jù)需要接受和處理;
4 串口需要發(fā)送數(shù)據(jù)；
如何來(lái)構(gòu)架這個(gè)單片機(jī)的程序?qū)⑹俏覀兊闹攸c(diǎn)；

讀書時(shí)代的我會(huì)把鍵盤掃描用查詢的方式放在主循環(huán)中，而串口接收數(shù)據(jù)用中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中組成相應(yīng)的幀格式后置位相應(yīng)的標(biāo)志位，在主函數(shù)的循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，串口發(fā)送數(shù)據(jù)以及l(fā)ed的顯示也放在主循環(huán)中；

這樣整個(gè)程序就以標(biāo)志變量的通信方式，相互配合的在主循環(huán)和后臺(tái)中斷中執(zhí)行；
然而必須指出其不妥之處：
每個(gè)任務(wù)的時(shí)間片可能過(guò)長(zhǎng)，這將導(dǎo)致程序的實(shí)時(shí)性能差。如果以這樣的方式在多加幾個(gè)任務(wù)，使得一個(gè)循環(huán)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個(gè)良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個(gè)任務(wù)中費(fèi)時(shí)間的部分以及把每個(gè)任務(wù)再次分解；下面來(lái)細(xì)談每個(gè)任務(wù)的具體措施：
1 鍵盤掃描
鍵盤掃描是單片機(jī)的常用函數(shù)，以下指出常用的鍵盤掃描程序中，嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的地方；
眾所周知，一個(gè)鍵按下之后的波形是這樣的（假定低有效）：
在有鍵按下后，數(shù)據(jù)線上的信號(hào)出現(xiàn)一段時(shí)間的抖動(dòng)，然后為低，然后當(dāng)按鍵釋放時(shí)，信號(hào)抖動(dòng)一段時(shí)間后變高。當(dāng)然，在數(shù)據(jù)線為低或者為高的過(guò)程中，都有可能出現(xiàn)一些很窄的干擾信號(hào)。
unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8;
if ((P20xf8)!=0xf8)
{
delay(100); //延時(shí)20ms去抖--------這里太費(fèi)時(shí)了，很糟糕
if((P20xf8)!=0xf8)
{
sccode=0xfe;
while((sccode0x08)!=0)
{
P2=sccode;
if ((P20xf8)!=0xf8)
break;
sccode=(sccode1)|0x01;
}
recode=(P20xf8)|0x0f;
return(sccoderecode);
}
}
return (KEY_NONE);
}
鍵盤掃描是需要軟件去抖的，這沒(méi)有爭(zhēng)議，然而該函數(shù)中用軟件延時(shí)來(lái)去抖（ms級(jí)別的延時(shí)），這是一個(gè)維持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的一個(gè)大忌諱；
一般還有一個(gè)判斷按鍵釋放的代碼：
While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死循環(huán)等待
這樣很糟糕，如果把鍵盤按下一直不放，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它的任務(wù)也不能執(zhí)行，這將是個(gè)很嚴(yán)重的bug。
有人會(huì)這樣進(jìn)行處理：
While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++ > 10)
Break;
}
即在一定得時(shí)間內(nèi)，如果鍵盤一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它任務(wù)不能運(yùn)行，但也很大程度上，削弱了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)樗昧搜訒r(shí)函數(shù)；




我們用兩種有效的方法來(lái)解決此問(wèn)題：
1 在按鍵功能比較簡(jiǎn)單的情況下，我們?nèi)匀挥蒙厦娴膋bscan()函數(shù)進(jìn)行掃描，只是把其中去抖用的軟件延時(shí)去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個(gè)函數(shù)來(lái)處理，它不用軟件延時(shí)，而是用定時(shí)器的計(jì)時(shí)（用一般的計(jì)時(shí)也行）來(lái)完成；代碼如下
void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg= 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}

void ScanKey(void)
{
++KeyDebounceCnt;//去抖計(jì)時(shí)（這個(gè)計(jì)時(shí)也可以放在后臺(tái)定時(shí)器計(jì)時(shí)函數(shù)中處理）
KeyCode = kbscan();
if (KeyCode != KEY_NONE)
{
if (KeyDebounceFlg)//進(jìn)入去抖狀態(tài)的標(biāo)志位
{
if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖規(guī)定的時(shí)間
{
if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值
{
KeyDebounceFlg= 0;
KeyReleaseFlg = 1;//釋放標(biāo)志
return; //Here exit with keycode
}
ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖動(dòng)而已
}
}else{
if (KeyReleaseFlg == 0)
{
KeyOldCode = KeyCode;
KeyDebounceFlg= 1;
KeyDebounceCnt= 0;
}else{
if (KeyCode != KeyOldCode)
ClearKeyFlag();
}
}
}else{
ClearKeyFlag();//沒(méi)有按鍵則清零標(biāo)志
}
KeyCode = KEY_NONE;
}