你的單片機裸機程序框架是怎樣的？
前言
前不久，我有位做測試的朋友轉(zhuǎn)去做開發(fā)的工作，面試遇到了一個問題，他沒明白，打電話問了我。題目大概就是：
在單片機裸機開發(fā)時，單片機要處理多個任務，此時你的程序框架是怎樣的呢？
這其實是個經(jīng)典面試問題，我以前面試也被問過。
答案一：輪詢系統(tǒng)
代碼結構如：
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int?main(void)
{
?init_something();
?
?while(1)
?{
??do_something1();
????????do_something2();
????????do_something3();
?}
}
這種結構大概是我們初學單片機的時候的代碼結構。在沒有外部事件驅(qū)動時，可以較好使用。
只答出了這種情況，印象分估計會比較低，多半涼涼。
答案二：前后臺系統(tǒng)
代碼結構如（該代碼來自 《RT-Thread內(nèi)核實現(xiàn)與應用開發(fā)實踐指南》 ）：
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int?flag1?=?0;
int?flag2?=?0;
int?flag3?=?0;
int?main(void)
{
?/*?硬件相關初始化?*/
?HardWareInit();
?/*?無限循環(huán)?*/
?for?(;;)?{
???if?(flag1)?{
?????/*?處理事情?1?*/
?????DoSomething1();
???}
???if?(flag2)?{
?????/*?處理事情?2?*/
?????DoSomethingg2();
???}
???if?(flag3)?{
?????/*?處理事情?3?*/
?????DoSomethingg3();
???}
?}
}
void?ISR1(void)
{
?/*?置位標志位?*/
?flag1?=?1;
?/*?如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理?*/
?DoSomething1();
}
void?ISR2(void)
{
?/*?置位標志位?*/
?flag2?=?2;
?/*?如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理?*/
?DoSomething2();
}
void?ISR3(void)
{
?/*?置位標志位?*/
?flag3?=?1;
?/*?如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理?*/
?DoSomething3();
}
此處，中斷稱為前臺，main中的while循環(huán)稱為后臺。相比于循環(huán)系統(tǒng)，這種方式相對可以提高外部事件的實時響應能力。
可以回答出這種情況，印象分大概一半以上，會再細問。
答案三：升級版前后臺系統(tǒng)（軟件定時器法）
以前，學C語言時，常常聽到有人說：指針是C語言的靈魂，沒學會指針就是沒學會C語言。。
后來，學單片機時，又聽到有人說：中斷和定時器是單片機的靈魂，沒掌握中斷與定時器就沒學會單片機。。
大佬們都那么說了，那就拿定時器來搞點事情。定時器渾身都是寶，本篇筆記我們來介紹使用定時器（系統(tǒng)滴答定時器或者其它定時器）來做的裸機框架。軟件定時器法也有另一種說法：時間片輪詢法。
可以回答出這種情況，這場面試多半穩(wěn)了。
下面以STM32單片機為例看看這種方法的使用。
站在巨人的肩膀上
開源項目—— MultiTimer ，項目倉庫地址：
https://github.com/0x1abin/MultiTimer
1、MultiTimer 簡介
MultiTimer 是一個軟件定時器擴展模塊，可無限擴展你所需的定時器任務，取代傳統(tǒng)的標志位判斷方式， 更優(yōu)雅更便捷地管理程序的時間觸發(fā)時序。
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
想要對MultiTimer 進行深入學習可閱讀項目源碼及如下這篇文章：
第6期 | MultiTimer，一款可無限擴展的軟件定時器
自己動手，豐衣足食
1、代碼模板
準備一個定時器，可以是系統(tǒng)滴答定時器，也可以是TIM定時器，使用這個定時器拓展出多個軟件定時器。
比如我們系統(tǒng)中有三個任務：LED翻轉(zhuǎn)、溫度采集、溫度顯示。此時我們可以使用一個硬件定時器拓展出3個軟件定時器，定義如下宏定義：
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#define??MAX_TIMER????????????3????????????//?最大定時器個數(shù)
EXT?volatile?unsigned?long????g_Timer1[MAX_TIMER];?
#define??LedTimer?????????????g_Timer1[0]??//?LED翻轉(zhuǎn)定時器
#define??GetTemperatureTimer??g_Timer1[1]??//?溫度采集定時器
#define??SendToLcdTimer???????g_Timer1[2]??//?溫度顯示定時器
#define??TIMER1_SEC????????(1)??????????????//?秒
#define??TIMER1_MIN????????(TIMER1_SEC*60)??//?分
在定時器初始化的時候也順便給三個軟件定時器進行初始化操作：
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/********************************************************************************************************
**?函數(shù):?TIM1_Init,?通用定時器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**?參數(shù): arr：自動重裝值 psc：時鐘預分頻數(shù)
**?說明:?定時器溢出時間計算方法: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);?
?
?/*?定時器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?);
?
?/*?中斷使能?*/
?TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update,?ENABLE?);?
?
?/*?中斷優(yōu)先級NVIC設置?*/
????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);??
????
?//?全局定時器初始化
?for(int?i?=?0;?i??{
??g_Timer1[i]?=?0;???
?}
}
在定時器中斷中對這些軟件定時器進行定時值做遞減操作：
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/********************************************************************************************************
**?函數(shù):?TIM1_IRQHandler,??定時器1中斷服務程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**?參數(shù):?無
**?返回:?無?
********************************************************************************************************/
void?TIM1_UP_IRQHandler(void)???//TIM1中斷
{
?uint8?i;
?
?if?(TIM_GetITStatus(TIM1,?TIM_IT_Update)?!=?RESET)??//?檢查TIM1更新中斷發(fā)生與否
?{
??//-------------------------------------------------------------------------------
??//?各種定時間器計時
??for?(i?=?0;?i?//?定時時間遞減?????
???if(?g_Timer1[i]?)?g_Timer1[i]--?;
??TIM_ClearITPendingBit(TIM1,?TIM_IT_Update);?????//清除TIMx更新中斷標志?
?}
}?
我們在各個定時任務中給這些軟件定時器賦予定時值，這些定時值遞減到0則該任務會被觸發(fā)執(zhí)行，比如：
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void?Task_Led(void)
{
?//----------------------------------------------------------------
?//?等待定時時間
?if(LedTimer)?return;
?LedTimer?=?1?*?TIMER1_SEC;
?//----------------------------------------------------------------
?//?LED任務主體
?LedToggle();
}
void?Task_GetTemperature(void)
{
?//----------------------------------------------------------------
?//?等待定時時間
?if(LedTimer)?return;
?LedTimer?=?2?*?TIMER1_SEC;
?//----------------------------------------------------------------
?//?溫度采集任務主體
?GetTemperature();
}
void?Task_SendToLcd(void)
{
?//----------------------------------------------------------------
?//?等待定時時間
?if(LedTimer)?return;
?LedTimer?=?2?*?TIMER1_SEC;
?//----------------------------------------------------------------
?//?溫度顯示任務主體
?LcdDisplay();
}
如此一來，每過1、2、4秒則分別觸發(fā)LED翻轉(zhuǎn)任務、溫度采集任務、溫度顯示任務。
這里配置的最小定時單位為1秒，當然根據(jù)實際需要進行配置（定時器初始化），定時器初始化可以放在系統(tǒng)統(tǒng)一初始化函數(shù)里：
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/********************************************************************************************************
**?函數(shù):?SysInit,?系統(tǒng)上電初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**?參數(shù):?
**?說明:?
**?返回:?
********************************************************************************************************/
void?SysInit(void)
{
?CpuInit();??????????????????//?配置系統(tǒng)信息函數(shù)
?SysTickInit();??????????????//?系統(tǒng)滴答定時器初始化函數(shù)
?UsartInit(115200);??????????//?串口初始化函數(shù)，波特率115200
?TIM1_Init(2000-1,?36000-1);?//?定時周期1s
?LedInit();??????????????????//?Led初始化
?TemperatureInit();??????????//?溫度傳感器初始化
?LcdInit();??????????????????//?LCD初始化
}
此時我們的main函數(shù)就可以設計為：
int?main(void)
{
?//-----------------------------------------------------------------------------------------------?
?//?上電初始化函數(shù)
?SysInit();?
?
?//-----------------------------------------------------------------------------------------------?
?//?主程序
?while?(1)
?{
??//-----------------------------------------------------------------------------------------------?
??//?定時任務
??Task_Led();
??Task_GetTemperature();?
??Task_SendToLcd();
?}
}
主函數(shù)主要是進行系統(tǒng)上電的一些初始化操作，接著是調(diào)用各定時任務函數(shù)。
本demo使用定時器1來擴展出3個軟件定時器，如果TIM資源不夠用，可以換用系統(tǒng)滴答定時器來做。如：
其中，時間基數(shù)可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。
2、實踐（代入法）
套用以上模板，分享我的一個實例：
需要思考及注意的問題是給每個任務的定時值設置多大合適？這也是一些朋友有疑問的，這只能是自己對自己的任務做考慮，具體情況具體分析，給經(jīng)驗值、調(diào)試調(diào)整。
就如同常常有人問定義多大的數(shù)組合適？在使用RTOS時每個線程的線程棧大小設置多大合適、優(yōu)先級設置為多少合適？這些都是需要我們自己進行思考的。
有模板/輪子套用是好事，但有些問題不能單單依靠模板，否則有可能把自己給套進去。
以上是以STM32為例的，其它單片機也是可以用這樣子的思想的，包括51單片機。
面對文首提到的面試問題，若是可以提到使用軟件定時器來處理，進一步能清楚地表達出來，再進一步能寫出一些偽代碼，那這場面試多半是穩(wěn)了。
不僅僅是為了面試，本文的方法是很經(jīng)典的，小編曾經(jīng)接觸的產(chǎn)品項目中就有用到，很實用，值得學習掌握。方法掌握多了，實際應用的時候想用屠龍刀還是倚天劍根據(jù)實際情況選擇使用即可。
以上就是本次的分享，如有錯誤，歡迎指出，謝謝。
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