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第1章 單片機程序的設(shè)計模式

本章目標

• 理解裸機程序設(shè)計模式
• 了解多任務(wù)系統(tǒng)中程序設(shè)計的不同

1.1 裸機程序設(shè)計模式

裸機程序的設(shè)計模式可以分為：輪詢、前后臺、定時器驅(qū)動、基于狀態(tài)機。前面三種方法都無法解決一個問題：假設(shè)有 A、B 兩個都很耗時的函數(shù)，無法降低它們相互之間的影響。第 4 種方法可以解決這個問題，但是實踐起來有難度。

假設(shè)一位職場媽媽需要同時解決 2 個問題：給小孩喂飯、回復工作信息，場景如圖所示，

后面將會演示各類模式下如何寫程序：

1.1.1 輪詢模式

示例代碼如下：

 // 經(jīng)典單片機程序: 輪詢void main(){while (1){喂一口飯();回一個信息();}}

在 main 函數(shù)中是一個 while 循環(huán)，里面依次調(diào)用 2 個函數(shù)，這兩個函數(shù)相互之間有影響：如果“喂一口飯”太花時間，就會導致遲遲無法“回一個信息”；如果“回一個信息”太花時間，就會導致遲遲無法“喂下一口飯”。

使用輪詢模式編寫程序看起來很簡單，但是要求 while 循環(huán)里調(diào)用到的函數(shù)要執(zhí)行得非常快，在復雜場景里反而增加了編程難度。

1.1.2 前后臺

所謂“前后臺”就是使用中斷程序。假設(shè)收到同事發(fā)來的信息時，電腦會發(fā)出“滴”的一聲，這時候媽媽才需要去回復信息。示例程序如下：

 // 前后臺程序void main(){while (1){// 后臺程序喂一口飯();}}// 前臺程序
void 滴_中斷()
{回一個信息();
}

• main 函數(shù)里 while 循環(huán)里的代碼是后臺程序，平時都是 while 循環(huán)在運行；
• 當同事發(fā)來信息，電腦發(fā)出“滴”的一聲，觸發(fā)了中斷。媽媽暫停喂飯，去執(zhí)行“滴_中斷”給同事回復信息；

在這個場景里，給同事回復信息非常及時：即使正在喂飯也會暫停下來去回復信息。“喂一口飯”無法影響到“回一個信息”。但是，如果“回一個信息”太花時間，就會導致 “喂一口飯”遲遲無法執(zhí)行。

繼續(xù)改進，假設(shè)小孩吞下飯菜后會發(fā)出“啊”的一聲，媽媽聽到后才會喂下一口飯。喂飯、回復信息都是使用中斷函數(shù)來處理。示例程序如下：

// 前后臺程序
void main()
{while (1){// 后臺程序}
}// 前臺程序
void 滴_中斷()
{回一個信息();
}// 前臺程序
void 啊_中斷()
{喂一口飯();
}

main 函數(shù)中的 while 循環(huán)是空的，程序的運行靠中斷來驅(qū)使。如果電腦聲音“滴”、小孩聲音“啊”不會同時、相近發(fā)出，那么“回一個信息”、“喂一口飯”相互之間沒有影響。在不能滿足這個前提的情況下，比如“滴”、“啊”同時響起，先“回一個信息”時就會耽誤“喂一口飯”，這種場景下程序遭遇到了輪詢模式的缺點：函數(shù)相互之間有影響。

1.1.3 定時器驅(qū)動

定時器驅(qū)動模式，是前后臺模式的一種，可以按照不用的頻率執(zhí)行各種函數(shù)。比如需要每 2 分鐘給小孩喂一口飯，需要每 5 分鐘給同事回復信息。那么就可以啟動一個定時器，讓它每 1 分鐘產(chǎn)生一次中斷，讓中斷函數(shù)在合適的時間調(diào)用對應(yīng)函數(shù)。示例代碼如下：

// 前后臺程序: 定時器驅(qū)動
void main()
{while (1){// 后臺程序}
}// 前臺程序: 每 1 分鐘觸發(fā)一次中斷
void 定時器_中斷()
{static int cnt = 0;cnt++;if (cnt % 2 == 0){喂一口飯();}else if (cnt % 5 == 0){回一個信息();}
}

main 函數(shù)中的 while 循環(huán)是空的，程序的運行靠定時器中斷來驅(qū)使。

• 定時器中斷每 1 分鐘發(fā)生一次，在中斷函數(shù)里讓 cnt 變量累加（代碼第 14 行）。
• 第 15 行：進行求模運算，如果對 2 取模為 0，就“喂一口飯”。這相當于每發(fā)生 2 次中斷就“喂一口飯”。
• 第 19 行：進行求模運算，如果對 5 取模為 0，就“回一個信息”。這相當于每發(fā)生 5 次

中斷就“回一個信息”。

這種模式適合調(diào)用周期性的函數(shù)，并且每一個函數(shù)執(zhí)行的時間不能超過一個定時器周期。如果“喂一口飯”很花時間，比如長達 10 分鐘，那么就會耽誤“回一個信息”；反過來也是一樣的，如果“回一個信息”很花時間也會影響到“喂一口飯”；這種場景下程序遭遇到了輪詢模式的缺點：函數(shù)相互之間有影響。

1.1.4 基于狀態(tài)機

當“喂一口飯”、“回一個信息”都需要花很長的時間，無論使用前面的哪種設(shè)計模式，都會退化到輪詢模式的缺點：函數(shù)相互之間有影響?？梢允褂脿顟B(tài)機來解決這個缺點，示例代碼如下：

// 狀態(tài)機
void main()
{while (1){喂一口飯();回一個信息();}
}

在 main 函數(shù)里，還是使用輪詢模式依次調(diào)用 2 個函數(shù)。

關(guān)鍵在于這 2 個函數(shù)的內(nèi)部實現(xiàn)：使用狀態(tài)機，每次只執(zhí)行一個狀態(tài)的代碼，減少每次執(zhí)行的時間，代碼如下：

void 喂一口飯(void)
{static int state = 0;switch (state){case 0:{/* 舀飯 *//* 進入下一個狀態(tài) */state++;break;}case 1:{/* 喂飯 *//* 進入下一個狀態(tài) */state++;break;}case 2:{/* 舀菜 *//* 進入下一個狀態(tài) */state++;break;}case 2:{/* 喂菜 *//* 恢復到初始狀態(tài) */state = 0;break;}}
}void 回一個信息(void)
{static int state = 0;switch (state){case 0:{/* 查看信息 *//* 進入下一個狀態(tài) */state++;break;}case 1:{/* 打字 *//* 進入下一個狀態(tài) */state++;break;}case 2:{/* 發(fā)送 *//* 恢復到初始狀態(tài) */state = 0;break;}}
}

以“喂一口飯”為例，函數(shù)內(nèi)部拆分為 4 個狀態(tài)：舀飯、喂飯、舀菜、喂菜。每次執(zhí)行“喂一口飯”函數(shù)時，都只會執(zhí)行其中的某一狀態(tài)對應(yīng)的代碼。以前執(zhí)行一次“喂一口飯”函數(shù)可能需要 4 秒鐘，現(xiàn)在可能只需要 1 秒鐘，就降低了對后面“回一個信息”的影響。

同樣的，“回一個信息”函數(shù)內(nèi)部也被拆分為 3 個狀態(tài)：查看信息、打字、發(fā)送。每次執(zhí)行這個函數(shù)時，都只是執(zhí)行其中一小部分代碼，降低了對“喂一口飯”的影響。

使用狀態(tài)機模式，可以解決裸機程序的難題：假設(shè)有 A、B 兩個都很耗時的函數(shù)，怎樣降低它們相互之間的影響。但是很多場景里，函數(shù) A、B 并不容易拆分為多個狀態(tài)，并且這些狀態(tài)執(zhí)行的時間并不好控制。所以這并不是最優(yōu)的解決方法，需要使用多任務(wù)系統(tǒng)。

1.2 多任務(wù)系統(tǒng)

1.2.1 多任務(wù)模式

對于裸機程序，無論使用哪種模式進行精心的設(shè)計，在最差的情況下都無法解決這個問題：假設(shè)有 A、B 兩個都很耗時的函數(shù)，無法降低它們相互之間的影響。使用狀態(tài)機模式時，如果函數(shù)拆分得不好，也會導致這個問題。本質(zhì)原因是：函數(shù)是輪流執(zhí)行的。假設(shè)“喂一口飯”需要 t1~t5 這 5 段時間，“回一個信息需要”ta~te 這 5 段時間，輪流執(zhí)行時：先執(zhí)行完 t1~t5，再執(zhí)行 ta~te，如下圖所示：

對于職場媽媽，她怎么解決這個問題呢？她是一個眼明手快的人，可以一心多用，她這

樣做：

• 左手拿勺子，給小孩喂飯
• 右手敲鍵盤，回復同事
• 兩不耽誤，小孩“以為”媽媽在專心喂飯，同事“以為”她在專心聊天
• 但是腦子只有一個啊，雖然說“一心多用”，但是誰能同時思考兩件事？
• 只是她反應(yīng)快，上一秒鐘在考慮夾哪個菜給小孩，下一秒鐘考慮給同事回復什么信息
• 本質(zhì)是：交叉執(zhí)行，t1~t5 和 ta~te 交叉執(zhí)行，如下圖所示：

基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時，示例代碼如下：

// RTOS 程序
喂飯任務(wù)()
{while (1){喂一口飯();}
}回信息任務(wù)()
{while (1){回一個信息();}
}void main()
{// 創(chuàng)建 2 個任務(wù)create_task(喂飯任務(wù));create_task(回信息任務(wù));// 啟動調(diào)度器start_scheduler();
}

• 第 21、22 行，創(chuàng)建 2 個任務(wù)；
• 第 25 行，啟動調(diào)度器；
• 之后，這 2 個任務(wù)就會交叉執(zhí)行了；

基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時，反而更簡單了：

1. 上面第 2~8 行是“喂飯任務(wù)”的代碼；
2. 第 10~16 行是“回信息任務(wù)”的代碼，編寫它們時甚至都不需要考慮它和其他函數(shù)的相互影響。就好像有 2 個單板：一個只運行“喂飯任務(wù)”這個函數(shù)、另一個只運行“回信息任務(wù)”這個函數(shù)。

多任務(wù)系統(tǒng)會依次給這些任務(wù)分配時間：你執(zhí)行一會，我執(zhí)行一會，如此循環(huán)。只要切換的間隔足夠短，用戶會“感覺這些任務(wù)在同時運行”。如下圖所示：

1.2.2 互斥操作

多任務(wù)系統(tǒng)中，多個任務(wù)可能會“同時”訪問某些資源，需要增加保護措施以防止混亂。比如任務(wù) A、B 都要使用串口，能否使用一個全局變量讓它們獨占地、互斥地使用串口？示例代碼如下：

// RTOS 程序
int g_canuse = 1;
void uart_print(char *str)
{if (g_canuse){g_canuse = 0;printf(str);g_canuse = 1;}
}task_A()
{while (1){uart_print("0123456789\n");}}task_B()
{while (1){uart_print("abcdefghij");}
}void main()
{// 創(chuàng)建 2 個任務(wù)create_task(task_A);create_task(task_B);// 啟動調(diào)度器start_scheduler();
}

程序的意圖是：task_A 打印“0123456789”，task_B 打印“abcdefghij”。在 task_A 或task_B 打印的過程中，另一個任務(wù)不能打印，以避免數(shù)字、字母混雜在一起，比如避免打印這樣的字符：“012abc”。

第 6 行使用全局變量 g_canuse 實現(xiàn)互斥打印，它等于 1 時表示“可以打印”。在進行實際打印之前，先把 g_canuse 設(shè)置為 0，目的是防止別的任務(wù)也來打印。

這個程序大部分時間是沒問題的，但是只要它運行的時間足夠長，就會出現(xiàn)數(shù)字、字母混雜的情況。下圖把 uart_print 函數(shù)標記為①~④個步驟：

void uart_print(char *str)
{if (g_canuse)         ①{g_canuse = 0; ② printf(str);  ③g_canuse = 1; ④}
}

如果 task_A 執(zhí)行完①，進入 if 語句里面執(zhí)行②之前被切換為 task_B：在這一瞬間，g_canuse 還是 1。

task_B 執(zhí)行①時也會成功進入 if 語句，假設(shè)它執(zhí)行到③，在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切換為 task_A。

task_A 繼續(xù)從上次被暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，即從②那里繼續(xù)執(zhí)行，成功打印出“0123456789”。這時在串口上可以看到打印的結(jié)果為：“abc0123456789”。

是不是“①判斷”、“②清零”間隔太遠了，uart_print 函數(shù)改進成如下的代碼呢？

void uart_print(char *str)
{g_canuse--;        ① 減一 if (g_canuse == 0) ② 判斷{printf(str);   ③ 打印}g_canuse++;        ④ 加一
}

即使改進為上述代碼，仍然可能產(chǎn)生兩個任務(wù)同時使用串口的情況。因為“①減一”這個操作會分為 3 個步驟：a.從內(nèi)存讀取變量的值放入寄存器里，b.修改寄存器的值讓它減一，c.把寄存器的值寫到內(nèi)存上的變量上去。

如果task_A執(zhí)行完步驟a、b，還沒來得及把新值寫到內(nèi)存的變量里，就被切換為task_B：在這一瞬間，g_canuse 還是 1。

task_B 執(zhí)行①②時也會成功進入 if 語句，假設(shè)它執(zhí)行到③，在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切換為 task_A。

task_A 繼續(xù)從上次被暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，即從步驟 c 那里繼續(xù)執(zhí)行，成功打印出“0123456789”。這時在串口上可以看到打印的結(jié)果為：“abc0123456789”。

從上面的例子可以看到，基于多任務(wù)系統(tǒng)編寫程序時，訪問公用的資源的時候要考慮“互斥操作”。任何一種多任務(wù)系統(tǒng)都會提供相應(yīng)的函數(shù)。

1.2.3 同步操作

如果任務(wù)之間有依賴關(guān)系，比如任務(wù) A 執(zhí)行了某個操作之后，需要任務(wù) B 進行后續(xù)的處理。如果代碼如下編寫的話，任務(wù) B 大部分時間做的都是無用功。

// RTOS 程序
int flag = 0;void task_A()
{while (1){// 做某些復雜的事情// 完成后把 flag 設(shè)置為 1flag = 1;}
}void task_B()
{while (1){if (flag){// 做后續(xù)的操作}}
}void main()
{// 創(chuàng)建 2 個任務(wù)create_task(task_A);create_task(task_B);// 啟動調(diào)度器start_scheduler();
}

上述代碼中，在任務(wù) A 沒有設(shè)置 flag 為 1 之前，任務(wù) B 的代碼都只是去判斷 flag。而任務(wù) A、B 的函數(shù)是依次輪流運行的，假設(shè)系統(tǒng)運行了 100 秒，其中任務(wù) A 總共運行了 50秒，任務(wù) B 總共運行了 50 秒，任務(wù) A 在努力處理復雜的運算，任務(wù) B 僅僅是浪費 CPU 資源。

如果可以讓任務(wù) B 阻塞，即讓任務(wù) B 不參與調(diào)度，那么任務(wù) A 就可以獨占 CPU 資源加快處理復雜的事情。當任務(wù) A 處理完事情后，再喚醒任務(wù) B。示例代碼如下：

//RTOS 程序
void task_A()
{while (1){// 做某些復雜的事情// 釋放信號量,會喚醒任務(wù) B;}
}void task_B()
{while (1){// 等待信號量, 會讓任務(wù) B 阻塞// 做后續(xù)的操作}
}void main()
{// 創(chuàng)建 2 個任務(wù)create_task(task_A);create_task(task_B);// 啟動調(diào)度器start_scheduler();
}

• 第 15 行：任務(wù) B 運行時，等待信號量，不成功時就會阻塞，不在參與任務(wù)調(diào)度。
• 第 7 行： 任務(wù) A 處理完復雜的事情后，釋放信號量會喚醒任務(wù) B。
• 第 16 行：任務(wù) B 被喚醒后，從這里繼續(xù)運行。

在這個過程中，任務(wù) A 處理復雜事情的時候可以獨占 CPU 資源，加快處理速度。

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本章完