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做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

2019-08-13 14:11 来源:互联网 编辑:Angelina

写程序不难,但是程序怎么样才能写的好,写的快,那是需要点经验积累的。结构化模块化的程序设计的思想,是最基本的要求。然而这么将这个抽象的概念运用到工程实践当中恩?那需要在做项目的过程中经历磨难,将一些东西总结出来,抽象升华为理论,对经验的积累和技术的传播都大有裨益。所以在下出来献丑一下,总结一些东西。

就我个人的经验而谈,有两个设计思想是非常重要的。

一个就是“时间片轮的设计思想”,这个对实际中解决多任务问题非常有用,通常可以用这个东西来判断一个人是单片机学习者,还是一个单片机工程师。这个必须掌握。(下文将介绍)。

第二个就是“分层屏蔽的设计思想”即分层思想。下面用扫描键盘程序例子作为引子,引出今天说的东西。

一、分层思想

分层的思想,并不是什么神秘的东西,事实上很多做项目的工程师本身自己也会在用。看了不少帖子都发现没有提及这个东西,然而分层结构确是很有用的东西,参透后会有一种恍然大悟的感觉。如果说我不懂LCD怎么驱动,那好办,看一下datasheet,参考一下别人的程序,很快就可以做出来。但是如果不懂程序设计的思想的话,会给你做项目的过程中带来很多很多的困惑。

问题的提出

单片机学习板一般为了简单起见,将按键分配的很好,例如整个 4*4 的键盘矩阵分配到 P1 口上面,8条控制线,刚好。这样的话程序也非常好写。只需要简单的

KEY_DAT= P1;

端口的数据就读进来了。

诚然,现实中没有这么好的事情。在实际的项目应用当中,单片机引脚的复用相当厉害,这跟那些所谓的单片机学习板就有很大的差别了。

另外一个原因,一般设计来说,是“软件配合硬件”的设计流程,简单点说就是,先确定好硬件原理图,硬件布线,最后才是软件的开发,因为硬件修改起来比较麻烦,相对来说软件修改的时候比较好改。这个就是中国传统的阴阳平衡哲学原理。硬件设计和软件设计本来就是鱼和熊掌的关系,两者不可兼得。方便了硬件设计,很可能给写软件带来很大的麻烦。反过来说,方便了软件设计,硬件设计也会相当的麻烦。如果硬件设计和软件设计同时方便了,那只有两种可能,一是这个设计方案非常简单,二是设计师已经达到了一个非常高的境界。我们不考虑那么多情况,单纯从常用的实际应用的角度来看问题。

硬件为了布线的方便,很多时候会可能将IO口分配到不同的端口上面,例如上面说的4*4键盘,8根线分别分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么,开发板的那些扫描键盘程序可以去见鬼了。怎么扫按键?我想起了我刚开始学习的时候,分成3段非常相似的程序,一个一个按键的扫描的经历......

或许有人不甘心,“那些东西我花了很长时间学习的,也用的好好的,怎么能说一句不用就不用?”虽然有点残忍,但是我还是想说“兄弟,接受现实吧,现实是残酷的......”

不过,人区别于低等动物的差别,是人会创造,在碰到困难的时候会想办法解决,于是我们开始了沉思......

最后我们引入初中数学学的“映射”的概念来解决问题。基本思想就是,将不同端口的按键映射到相同端口上面。

这样按键扫描程序就分成3个层次了。

1)最底层的是硬件层,完成端口扫描,20ms延时消抖,将端口的数据映射到一个KEY_DAT寄存器上面,KEY_DAT作为对上层驱动层的一个接口。

2)中间的一层是驱动层,驱动层只对 KEY_DAT 寄存器的数值进行操作。简单点说,我们无论底层的硬件是怎么接线的,在驱动层都不需要关心,只需要关心 KEY_DAT 这个寄存器的数值是什么就可以了。这样出来的间接效果就是“屏蔽了底层硬件的差异”,所以驱动层写的程序就可以通用了。

驱动层的另外一个功能是为了上层提供消息接口。我们用了类似window程序的消息的概念。这里可以提供一些按键消息,例如:按下消息,松开消息,长按键消息,长按键的时候的步进消息,等等。

3)应用层。这里就是根据项目的不同分别写按键功能程序,属于最上层的程序。它使用的是驱动层提供的消息接口。在应用层写程序的思想就是,我不管下层是怎么工作的,我只关心按键消息。有按键消息来的时候我就执行功能,没有消息来的时候,我就什么也不做。

下面用一个简单的常用的例子,说明我们这个设计思想的用法。

秒表调整时间的时候,要求按着某个按键不放,时间能连续的向上增加。这个东西很实用,实际的家电中用途很广泛。

在看下面的东西之前,大家可以想一下,这东西难吗?相信大家都会很响亮的回答,“不难!!”,然而我再问:“这东西麻烦吗?”我相信很多人肯定会说“很麻烦!!” 这不禁让我想起开始学单片机的时候写这种按键的那程序,乱七八糟的结构。如果不相信的话,可以自己用51写一下哦,那样就更加能体会本文说的分层结构的优越性。

项目要求:

两个按键,分别分配在P10 和P20,分别是“加”“减”按键,要求长按键的时候实现连续加和连续减的功能。

实战:

假设按键上拉,没有按键的时候高电平,有按键的时候低电平,另外,为了突出问题,这里没有将延时消抖的程序写上去,在实际项目中应该加上。C语言函数参数的传递多种多样,这里作为例子,用了最简单的全局变量来传递参数,当然你也可以用 unsigned charReadPort(void) 返回一个读键结果,甚至还可以 void ReadPort(unsigned char*pt) 用一个指针变量传递地址而达到直接修改变量的目的。方法是多种多样的,这个决定于每个人的程序风格。

做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

1)开始写硬件层程序,完成映射

#defineKYE_MIN  0X01#defineKEY_PLUS  0X01unsignedchar KeyDat;voidReadPort(void){if (P1 & KEY_PLUS == 0 ){KeyDat |= 0x01 ;}if (P2 & KEY_MIN  == 0 ){KeyDat |= 0x02 ;}}

C语言应该很容易看懂吧?如果 KEY_PLUS 按下,P10口读到低电平,则 P1 &KEY_PLUS 的结果为 0 (xxxx xxx0 & 0000 0001),满足if 的条件,进入KeyDat |=0x01  是将 KeyDat 的bit0 置一,也就是说,将 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0

KEY_MIN是同样的道理映射到 KeyDat 的 bit1

如果 KeyDat 的 bit0 为 1 ,则说明 KEY_PLUS 按下,反则亦然。

不需要想的很神秘,映射就是这么一回事。如果还有其他按键的话,用同样办法,将他们全部映射到 KeyDat 上面。

2)驱动层程序编写

如果将 KeyDat想象成 P1 口,那么这个跟学习板那标准的扫描程序不就是一样了吗?对的,这个就是底层映射的目的了。

3)应用层程序编写

根据消息,硬件层是必须分离出来,然而驱动层和应用层的要求就不那么严格了,事实上一些简单的项目没有必要将这两层分离开来,根据实际应用灵活应对就可以了。其实这样写程序是很方便移植的,根据板子的不同而适当的修改一下硬件层那个 ReadPort 函数就完成了,驱动层和应用层很多代码可以不经过修改直接用,很能提高开发效率的。当然这个按键程序会存在一定的问题,特别是遇到常闭按键和点触按键的混合使用的场合。这个留给大家自己去想了,反正问题总是能找到解决办法的,尽管方法有好有坏。

二、时间片轮设计思想

先用一个小例子引出今天的主题,想象一下,一个基本的家电控制板,肯定或多或少的会包含 :LED或者数码管显示, 按键, 继电器或者可控硅的输出 这3部分。数码管需要 10ms到20ms的动态扫描,按键也需要20ms左右的延时消抖,有没有意识到,其实这些时间是同时在进行的。回想一下咱们的教科书怎么教按键的延时消抖的?没错,死循环,绝对是原地踏步死循环,用指令来计时。这样很自然的引发一个问题,单片机在原地踏步死循环的话,那么其它的工作怎么办?如数码管的动态扫描怎么办?唯有等按键扫描之后再进行了,这样出来的效果,数码管肯定会闪烁的,扫描时间过长了,缩短按键消抖时间也不是解决办法,想象如果咱们还有其它很多工作也是同时做的呢?解决办法之一,就是今天的主题,分时扫描的思想。当然不会是唯一的办法,只不过俺一直在用,觉得这个是非常不错的思想,可以解决很多实际问题。大胆妄言一下,分时扫描的思想也是单片机编程最核心的思想了,信不信就由你自己判断了。

核心思想的实现

第一、用RTC中断来计时,RTC的中断时间短一点,我习惯是125us ,为了解红外遥控的码,这个时间是需要的。RTC计时是相当准的,尽量利用。

第二、在RTC的中断服务程序里面放3个(数量自定)记时器(说白了就是计数器),我的习惯是 2ms 5ms 500ms 这3个是作为基准时间,提供给整个系统来调用的,所以必须准确一点,实际用示波器调一下就OK了,不难。

第三、在主程序的循环里面放一个专门处理时间的子程序。(注:单片机是不会停的,永远在不断循环的跑,这个跟学校学的貌似有点不同,俺面试的时候被问过这个问题 ….)  将所有的时间处理都放在时间处理子程序里面做,这样是非常方便的,一个单片机系统最起码需要处理 10~20个不同的时间,也需要10~20个计时器了,而且相当多要求同时不同步工作的,如果每个都单独的话是相当的麻烦。

第四、“程序是跑着来等,而不是站着来等”,这话看来有点玄,一个跟俺一起进去公司的工程师讨论的时候提到的这个问题,俺觉得这个也是分时系统的一个比较重要的思想,所以也这样叫,下面有细说。

第五、下面用程序来说话,注释尽量详细,可以不用看代码,直接看注释就可以了。

(一)先中断服务程序部分:

每 125us 中断一次;

-------------------产生几个基准时间---------------------------

做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

(1) ref_2ms寄存器不断的减1,每次中断减1,一共减 16次,所以这里经过的时间是 125us × 16 = 2ms,这个就是所谓的计时/计数器 了。这样就可以靠一个系统的RTC中断,来实现我们需要的很多个定时时间。

(2)置2ms 计时结束标志,这个是提供给时间处理程序用的,这是一个计时器的框架,下面的5ms计时完全相同。

这程序还用了一个块的框架,比较方便的,不过跟今天的主题无关,以后郁闷的时候再上来写写这个。上面的程序就是中断服务程序里面的计时器,分别定时 2ms、5ms、500ms,计时完毕溢出是flag_time 标志来记录的,程序通过读这个标志就可以知道定时的时间是否已经到了。

(二)下面看那个统一的时间服务子程序

做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

上面用了按键20ms消抖的计时器作为例子,如果理解之后就可以发现,我们可以完全模仿那个计时器而在下面放很多很多的计时器,则每5ms 进来一下,每个计时器都同时在计数了,谁先计算完毕就先关掉自己,置相应的标志给其它程序调用,而对其它计时器完全没有影响!这样,我们可以在这里放很多个计时器了,一般来说,十来二十个是没有问题的,完全满足一个单片机系统对多个时间的需求了。

单个计时器的结构很简单,先判断允许计时标志是否进入计时,然后一个专用的寄存器在加1或者减1,加/减相应的数值之后也就是相应的时间到了,关掉计时器,置相应需要用到的标志。

到这里差不多了,俺们需要的时间都可以出来了,这样做是不是非常方便?咱们再来看看在这段时间里单片机在做了什么东西?只有中断计时够 5ms 或者 500ms ,那个溢出标志才有效,才能进入上面的计时程序,其它时间都是在做其它事情。而且进入上面的计时器的时候,可以看出,并不是在那里死循环,只是单纯的加减一下寄存器就退出了,整个过程耗时极其短,看代码不同吧,5us到 20us左右吧,对主程序的执行没有什么影响。

(三)下面看看具体怎么调用

最开始谈过的按键的消抖时间处理问题,现在就用上面介绍的办法来看具体怎么解决问题。按键的处理也是重要的基础学问,不过不在本次的讨论范围,所以只是单单的讨论怎么解决时间问题,而对于按键的一些问题,下次有机会继续讨论吧,hoho~~~

做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

大概是这样的:判断什么时候有按键,没有的话跳出,有的话开始延时消抖的计时,第二次进来的时候直接由标志位控制过去判断时间时候够。

同样是等待,这里就是最后一点所说的,咱这是跑着来等,不是站着来等。跟死循环定时比较,在没有定时到20ms 的这段时间里面单片机在做什么?死循环的话,肯定就是在原地等,什么都不做,而看看上面的程序,他只是判断是否定时够,具体的定时在统一的时间子程序里面做,判断没有到时间的话就跳出了,继续跑其它的程序,直到当时间到了,单片机判断出flag_delay,key_flow 符合条件,开始进入按键处理程序了,在这个期间,单片机都在做其它事情,只是一个主循环跑回来判断一次,所以单片机完全有空跑其它的程序,而没有将时间都耗在消抖上面。

(四)看看我的主程序循环体

做嵌入式开发,这两个设计思想你掌握了吗?

这个就是我用的循环体了,所有功能都做成子程序形式了,需要就挂上去就可以了,比较方便,这样一个总的循环体,单片机就是在不断的执行这个循环体,如果整个程序都采用上面说的分时扫的思想的话,一周循环回来的时间是相当短的,其实是不是跟电脑的思想有点像呢?电脑再快也并不是同时处理多个任务,而且每次处理一个,然后非常快的速度来循环处理,让我们感觉上他是在同时处理多个程序那样,我想,我最终想表达的思想也就是这个而已。

啰啰唆唆的说了一堆,也不知道是否能看懂,或者是否去看。不知道我对分时扫描这个概念是否理解错了呢?在我看来,有这个思想支撑下,单片机的程序变得比较容易上手了,剩下的只是集中精力去用程序来实现我们的思想而已,当然,这里只是说一种可行的办法而已,不是说只有这种办法,如果大家有好的思想也分享一下哦,编写程序是一门艺术,写出来很容易,但是写得好,写得精巧,那就很难了。

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