嵌入式開發中的三種程序構架

在嵌入式軟件開發，包括單片機開發中，軟件架構對於開發人員是一個必須認真考慮的問題。軟件架構對於系統整體的穩定性和可靠性是非常重要的，一個合適的軟件架構不僅結構清晰，並且便於開發。

我相信在嵌入式或單片機軟件開發的初期大多數開發者採用的都是簡單的前後臺順序執行架構 (我就是這樣的)。
在嵌入式軟件開發中，程序架構主要分爲三種，本篇文章將對這三種程序架構做出詳解。

1、軟件架構存在的意義

可以說一個好的程序架構，是一個有經驗的工程師和一個初學者的分水嶺。

軟件架構對於開發人員是友好的，你希望先執行什麼任務後執行什麼任務，或者這一個時間點執行什麼任務下一個執行什麼任務，又或者什麼事件會同步到某個任務等等，在不同的軟件架構下，解決上述問題的具體方法都是有所區別的。
軟件架構對開發者最大的幫助是：

幫助開發者掌控整個工程的框架，當你熟練使用其中某一個程序架構後，對於系統中出現的 bug 你一定能夠快速的定位並解決。
當然，我建議要根據需要選擇合適的軟件架構進行開發，具體原因在文章後面會進行介紹。

2、深入介紹三種不同的程序架構

三種常用的軟件架構有：順序執行的前後臺系統、時間片輪詢系統和多任務操作系統。

爲了讓大家有一個更爲清晰的認識，我分別用三種軟件架構對一個實例進行介紹說明。這個實例如下：

它有 4 個任務，這 4 個任務爲按鍵掃描、聲光報警、顯示屏刷新和超聲波測距。這個實例的具體功能是通過按鍵設置測量距離的閾值，當測距距離低於設置的閾值時，觸發聲光報警並且將測量距離實時顯示在顯示屏上 (這個應用是汽車倒車雷達的具體體現)。

2.1 順序執行的前後臺系統

在順序執行的前後臺系統中，我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在 while(1) 中，而顯示屏刷新和超聲波測距使用中斷，在中斷服務函數中獲取測量距離後進行顯示，在主函數的循環中進行按鍵的檢測，聲光處理也放在主循環中。這樣整個程序就以變量標誌的同步方式在主循環和後臺中斷中執行，對應的程序代碼如圖所示：

▲ 順序執行前後臺系統的主函數

▲ 順序執行前後臺系統的中斷服務函數

這種架構的優點是使用簡單易於理解，而缺點是每個任務所佔的 CPU 時間過長的話，會導致程序的實時性能差，就比如按鍵的檢測等。

2.2 時間片輪詢系統

時間片輪詢法實際上通常出現在操作系統中，也就是說他屬於操作系統，但在這裏所說的是基於前後臺系統的時間片輪詢。時間片輪詢法的實質其實就是選出一個定時器，沒進一次定時中斷對計數值進行自加，在主循環中根據這個計數值執行任務，這個計數值也就是任務輪詢的時間片。

在這個實例中，如果採用時間片輪詢系統的話，首先選用主控芯片的任一定時器，定時器定時時間週期由我們決定，爲了保證實時性和運行效率，這個值通常取 10ms、30ms、50ms 等，我會將按鍵掃描輪值值設置爲 20ms，因爲按鍵抖動的時長一般爲 20ms，這樣處理既達到了消抖的目的，又不會漏掉按鍵的檢測；而顯示屏的刷新設置爲 30ms，如果你覺得刷新反應慢了也可以修改這一輪詢值得到改善；

而超聲波測距的輪詢值設置爲 100ms，即每隔 100 模式觸發測距一次，這個測距頻率已經能夠滿足大多數的情況了。

程序代碼如下：

▲ 時間片輪詢的系統函數

▲ 時間片輪詢系統的定時器中斷函數

可以看出時間片輪詢法相比順序執行還是有很大優勢的，既有順序執行法的優點，也有操作系統的部分優點。

2.3 多任務操作系統

操作系統的本身是一個比較複雜的東西，任務的管理和調度實現的底層是很複雜和困難的。但是呢，我們一般都是把操作系統本身作爲一個工具一個平臺，我們的目的是使用它的功能而不是開發一個操作系統。

我使用過 ucos 和 freertos 小型的實時操作系統，也使用過 Linux 大型的操作系統，有了操作系統，不管是對於程序的穩定性和開發的效率都會好很多。我們在使用操作系統的時候更多的需要去學習和理解它的一些調度和通信的方式。

實際上真正能使用操作系統的人並不多，反而是跑裸機的佔大多數，這也和產品的具體要求有關，很多簡單的系統只需要裸機即可滿足。

在這裏本我不過多的介紹操作系統本身，因爲操作系統確實挺複雜的，下面圖例中的代碼是在 freertos 中創建按鍵控制 LED 亮滅的程序結構，大家可以對比一下：

▲ freertos 多任務系統中主函數

▲ freertos 多任務操作系統中的任務回調函數

3、如何選擇合適的軟件架構

我使用過多種不同 MCU 做項目開發，例如：STM32、STC15、新唐等，也接觸過複雜的設計需求，例如：車載智能系統和智能家居，跑過操作系統 ucos、freertos 和 Linux 等等，在回到裸機開發時，就會不然而然的去思考完整系統的軟件架構的設計問題，相信在讀者中開發裸機的也佔大多數。

我認爲沒有最好的軟件架構 (程序架構)，而是隻有最合適的。因爲在不同的應用場景中適合採用不同的程序設計，而單純的去比較哪種程序架構是最好的沒有什麼實際的意義。

那接下來我們來對具體的應用場景進行分析，在一些邏輯清晰功能單一的系統中就很適合選擇順序執行的前後臺架構，這個軟件架構往往能夠滿足我們大部分的需求，比如電飯煲、電磁爐和聲控燈泡等；

而在一些資源缺乏的單片機並且對系統可靠性要求較高的情況下非常適合，因爲這種方法的系統耗費比較小，只是犧牲了一個定時器而已，但是選擇此種程序架構需要我們對時間片進行深思熟慮的劃分；

最後，在一些功能複雜，邏輯控制較爲困難的系統中就適合選擇多任務操作系統，比如視頻監控系統、無人機等等應用場景。

作爲一名嵌入式軟件工程師，掌握這三種軟件架構是非常有必要的，它們可以讓我們在設計程序時擁有更多的選擇和思考，而每一種不同的程序架構都具備它自己的優勢與不足，這需要我們去用心實踐方可體會到它的奧妙。

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