嵌入式程序架构--你了解多少？

正点原子 · 发表于 2021-12-20 17:37:17

本帖最后由正点原子于 2022-1-7 17:32 编辑

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嵌入式程序架构--你了解多少？

前言

单片机开发中，我们往往首先接触裸机系统，然后到RTOS，那么它们的软件架构是什么?这是我们开发人员必须认真考虑的问题。在实际项目中，首先选择软件架构是非常重要的，接下来我们浅谈一下我们单片机开发中，有哪些程序架构。

一. 裸机系统

1. 轮询系统

轮询系统是 MCU中最简单的入门系统，它的程序结构是通常只需要一个While(1)或for(;;)死循环来实现：

int main(void)
{
while(1)
{
//事务1
//......
//事务n
}
return0;
}

复制代码

   这种程序架构就是不断循环，那么这种程序架构的缺点是非常的明显的—实时性差，因为我们的编写的代码都是顺序的执行，如果事务1和事务2之间有一个延时函数，那么处理事务2必须等待延时时间到来才可以执行相应的代码。

   例如下面的动画显示：

      所有的事务都是顺序的执行的。

      2. 前后台系统

   这种系统可称为前后台系统或超循环系统(Super-Loops)。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为(background)。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为(foreground)。后台也可以叫做任务级。前台也叫中断级。

   前后台系统在轮询系统中，增加了中断机制。中断机制可以打断 MCU目前正在执行的程序，而执行另外一段程序，这段程序称为中断程序，当中断程序执行完成，再回到原先位置，如以下源码所示：

int main(void)
{
while(1)
{
事务1;
事务2;
事务3;
......
}
return0;
}
//中断服务函数
void interrupt_event(void)
{
事务4; //语句4
return0;
}

复制代码

   前后台系统与轮询系统相比，其中一个明显优点是可以实时响应外部输入、中断是可以嵌套的，即是当发生一个中断时，MCU开始执行中断相关代码，此时一个优先级更高的中断发生，MCU将转向执行另一个更高优先级的中断。

   例如下面的动画显示：

二. RTOS操作系统

1. 时间片轮转调度

时间片轮询法实际上通常出现在操作系统中，也就是说它属于操作系统，每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。如果在时间片结束时进程还在运行，则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。
如以下源码所示：

void task1(void)
{
while(1)
{
事务1;
}
}
void task2(void)
{
while(1)
{
事务2;
}
}

复制代码

   注意：任务是有优先级的，同等优先级下的任务才可以使用时间片轮转调度。

   例如下面的动画显示：

2. 抢占式系统

RTOS的内核负责管理所有的任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其他任务，这个是内核的多任务管理能力。多任务管理给人的感觉就好像芯片有多个CPU，多任务管理实现了CPU资源的最大化利用，多任务管理有助于实现程序的模块化开发，能够实现复杂的实时应用。中断能打断所有任务。

三. 如何选择合适的程序架构

   对于上述讲解的程序架构，我们该如何选择呢，首先根据自己的项目以及MCU两个方面考虑。

   项目选择分析：我们的产品是否要求实时性非常好的产品，如果实时性非常好的产品，小编建议使用RTOS作为实时系统例如UCOSIII、FreeRTOS等操作系统，如果我们单单制作功能特别少的，例如汽车的智能钥匙，就是负责汽车的开锁，关闭等特别少的功能，比较适合选择前后台系统，

   如果我们的项目是关于物联网领域的，小编建议使用RTT以及OneOS等相关物联网操作系统，因为该操作系统不需要我们编写相关的设备驱动以及移植网络协议，直接调用相关API函数即可。

   MCU选择分析：首先我们选择的主控芯片有关，如果我们选择一款flash以及SRAM非常小型的MCU，那么移植RTOS可能比较吃力了，目前FreeRTOS操作系统最低需要3k到5k内存。

unifax001 · 发表于 2021-12-21 15:30:07

动画内所有中断结束后并没有返回到断点处执行，示意反倒是转到下一个任务执行了。

嵌入式程序架构--你了解多少？

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