嵌入式C语言轻量级程序架构内核编写

时间：2022-06-20 10:27:18|栏目：C代码|点击：次

1.了解程序架构概念和作用

在写单片机程序的时候往往会遇见下面的情况

1、产品功能需要很多不同的延时效果，又不能用delay死延时，比方说按键检测、led不同闪烁效果。
2、程序功能一多起来，整个脑子就混乱了，不知道这么整合起来。
3、不同功能区域的除了共享全局变量或数组以外不知道该怎么做。

实时操作系统rtos、ucos、linux系统，都是好的程序架构，它们就为开发者提供了系统实时性好、可靠性高、可移植性强等保障。工程师不需要研究复制的数据结构和算法，比如任务分配、任务调度、内存管理、消息机制等等，只需要学习使用系统就够了。

2.了解单片机常见的程序架构

1、传统顺序执行的程序架构

最多的时候，单片机程序都是使用while死循环，然后顺序执行各种函数，这种程序设计比较简单。

#include <stdio.h>
 
int main()
{
    keys = KeyScan();
    while(1)
    {
        if (keys ==1)
        {
        //
        }
    }
 
 
return 0;
}

缺点就是只适合做小项目，程序大了以后逻辑一定会非常混乱，实时性，稳定性，移植性差。

2、实时操作系统

比如ucos、rtos，用户使用这些系统就只需要把系统移植好能跑起来就行。这种架构的优点就是它自身就是一个稳定性、实时性高的，有的甚至提供了图形gui和网络tcp/ip等强大的功能。

缺点就是占用内存资源比较严重，移植起来比较复杂，应用以后如果不去深耕，系统架构的工作原理出了问题就会无从下手。所以这种系统一般针对大型项目，对某些功能有需要，比如带屏幕的需要做大量界面的，或者带网络通信的。

3、轻量级的程序架构

这个程序架构的定位是能够应用在大多数的中低端单片机，占用单片机内存资源比较少，在1kb左右。

3.轻量级程序架构设计思想

主要分为两个部分：

1、程序架构系统内核
2、任务通讯

系统内核用于任务的统一分配管理。

任务通信就是不同模块间的通信，比如说硬件层和应用层的数据传递，这个就是通过回调函数来实现的。

本文的重点就是为了编写一个有任务分配、任务调度的系统内核代码。能满足移植性高，稳定性强，实时性好的特点。

4.程序架构内核代码的实现原理

内核代码主要是用来分配任务和任务调度的，任务就是各功能模块轮询的处理函数。分配任务就是创建任务，把各功能模块处理函数加入到任务管理列表里。

任务调度就是定时唤醒和休眠任务列表里的任务。

这里的唤醒就是调用，休眠就是把任务挂起，不让它执行。

程序架构的系统内核工作流程：

任务初始化：包括硬件的初始化，如gpio的配置，定时器初始化，串口初始化等等。然后任务的创建和任务执行函数的初始化。

任务调度：即我们传统的while（1）循环里面轮询的函数，只是我们为每一个任务提供不一样的时间节拍，还可以让任意一个任务进入休眠。

5.掌握轻量级程序架构内核编写

系统内核说白了就是写一个任务的管理程序，通过这个程序可以更加灵活控制整个程序的允许状态，特别是需要做低功耗的产品来说。

系统内核主要完成以下工作：

1、任务创建
2、任务调度
3、任务挂起
4、任务休眠

优点：

1、可以为每个任务提供不同时钟节拍。
2、可以灵活控制每个任务的执行状态。
3、实时性更高
4、程序流程更加清晰
5、更适合做低功耗

OS_System.c代码和OS_System.h代码

#include "OS_System.h"
 
volatile OS_TaskTypeDef OS_Task[OS_TASK_SUM];
 
CPUInterrupt_CallBack_t CPUInterrupptCtrlCBS;
 
 
/********************************************************************************************************
*  @函数名   OS_CPUInterruptCBSRegister                                                                                   
*  @描述     注册CPU中断控制函数                                                                     
*  @参数     pCPUInterruptCtrlCBS-CPU中断控制回调函数地址
*  @返回值   无   
*  @注意     无
********************************************************************************************************/
void OS_CPUInterruptCBSRegister(CPUInterrupt_CallBack_t pCPUInterruptCtrlCBS)
{
    if(CPUInterrupptCtrlCBS == 0)
    {
        CPUInterrupptCtrlCBS = pCPUInterruptCtrlCBS;
    }
}
 
/********************************************************************************************************
*  @函数名   OS_TaskInit                                                                               
*  @描述     系统任务初始化                                                                 
*  @参数     无
*  @返回值   无
*  @注意     无
********************************************************************************************************/
void OS_TaskInit(void)
{
    unsigned char i;
    for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++)
    {
        OS_Task[i].task = 0;
        OS_Task[i].RunFlag = OS_SLEEP;
        OS_Task[i].RunPeriod = 0;
        OS_Task[i].RunTimer = 0;
    }    
}
 
 
/*******************************************************************************
* Function Name  : void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), OS_TIME_TYPEDEF TimeDly, bool flag)
* Description    : 创建任务 
* Input          : - ID：任务ID
*                    - (*proc)() 用户函数入口地址 
*                    - TimeDly 任务执行频率，单位ms
*                     - flag 任务就绪状态  OS_SLEEP-休眠 OS_RUN-运行 
* Output         : None
* Return         : None
* Attention         : None
*******************************************************************************/
void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), unsigned short Period, OS_TaskStatusTypeDef flag)
{    
    if(!OS_Task[ID].task)
    {
        OS_Task[ID].task = proc;
        OS_Task[ID].RunFlag = OS_SLEEP;
        OS_Task[ID].RunPeriod = Period;
        OS_Task[ID].RunTimer = 0;
    }
}
 
 
/********************************************************************************************************
*  @函数名   OS_ClockInterruptHandle                                                                                   
*  @描述     系统任务调度函数                                                                     
*  @参数     无
*  @返回值   无   
*  @注意     为了保证任务实时性，这个必须放在10ms的定时器或系统时钟中断函数里
********************************************************************************************************/
void OS_ClockInterruptHandle(void)
{
    unsigned char i;
    for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++)    //这个循环是对所有的任务执行一次以下操作。
    {
        if(OS_Task[i].task)    //通过task函数指针指向不等于0来判断任务是否被创建
        {                    
            OS_Task[i].RunTimer++;
            if(OS_Task[i].RunTimer > OS_Task[i].RunPeriod)    //判断计时器值是否到达任务需要执行的时间
            {
                OS_Task[i].RunTimer = 0;
                OS_Task[i].RunFlag = OS_RUN;//把任务的状态设置成执行，任务调度函数会一直判断这个变量的值，如果是OS_RUN就会执行task指向的函数。
            }
            
        }
    }
    
}
 
/*******************************************************************************
* Function Name  : void OS_Start(void)
* Description    : 开始任务 
* Input          : None
* Output         : None
* Return         : None
* Attention         : None
*******************************************************************************/
void OS_Start(void)
{
    unsigned char i;
    while(1)
    {
        for(i=0; i<OS_TASK_SUM; i++)
        {
            if(OS_Task[i].RunFlag == OS_RUN)
            {
                OS_Task[i].RunFlag = OS_SLEEP;
         
                (*(OS_Task[i].task))();    
            }
        }    
    }
}
 
/*******************************************************************************
* Function Name  : void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID)
* Description    : 唤醒一个任务
* Input          : - taskID：需要被唤醒任务的ID
* Output         : None
* Return         : None
* Attention         : None
*******************************************************************************/
void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID)
{    
    unsigned char IptStatus;
    if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
    {
        CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_ENTER_CRITICAL,&IptStatus);//在这里关闭单片机总中断
    }
    OS_Task[taskID].RunFlag = OS_RUN;    
    if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
    {
        CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_EXIT_CRITICAL,&IptStatus);//在这里开启单片机总中断
    }
}
 
/*******************************************************************************
* Function Name  : void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID)
* Description    : 挂起一个任务，让一个任务进入睡眠状态，该函数暂时没用到
* Input          : - taskID：需要被挂起任务的ID
* Output         : None
* Return         : None
* Attention         : None
*******************************************************************************/
void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID)
{
    unsigned char IptStatus;
    if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
    {
        CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_ENTER_CRITICAL,&IptStatus);//在这里关闭单片机总中断
    }
    OS_Task[taskID].RunFlag = OS_SLEEP;
    if(CPUInterrupptCtrlCBS != 0)
    {
        CPUInterrupptCtrlCBS(CPU_EXIT_CRITICAL,&IptStatus);//在这里开启单片机总中断
    }
}

 typedef enum
{
    CPU_ENTER_CRITICAL,        //CPU进入临界
    CPU_EXIT_CRITICAL,        //CPU退出临界
}CPU_EA_TYPEDEF;
 
//定义一个CPU中断控制回调函数指针,别名CPUInterrupt_CallBack_t,
typedef void (*CPUInterrupt_CallBack_t)(CPU_EA_TYPEDEF cmd,unsigned char *pSta);
 
 
//系统任务ID
typedef enum
{
    OS_TASK1,
    OS_TASK_SUM    
}OS_TaskIDTypeDef;
 
 
//系统任务运行状态,暂时没用到
typedef enum
{
    OS_SLEEP,            //任务休眠
    OS_RUN=!OS_SLEEP    //任务运行
}OS_TaskStatusTypeDef;
 
//系统任务结构体
typedef struct
{
    void (*task)(void);                    //任务函数指针
    OS_TaskStatusTypeDef RunFlag;        //任务运行状态
    unsigned short    RunPeriod;            //任务调度频率
    unsigned short RunTimer;            //任务调度计时器
}OS_TaskTypeDef;
 
 
/*    函数声明 */ 
/*******************************************************************************/
void OS_CPUInterruptCBSRegister(CPUInterrupt_CallBack_t pCPUInterruptCtrlCBS);
void OS_ClockInterruptHandle(void);
void OS_TaskInit(void);
void OS_CreatTask(unsigned char ID, void (*proc)(void), unsigned short TimeDly, OS_TaskStatusTypeDef flag);
void OS_Start(void);
void OS_ClockInterruptHandle(void);
void OS_TaskGetUp(OS_TaskIDTypeDef taskID);    
void OS_TaskSleep(OS_TaskIDTypeDef taskID);

6.掌握轻量级程序架构内核移植

了解ucos或者其他操作系统的朋友都知道，单片机想要跑这些实时操作系统，必须进行系统的移植，移植就是把单片机的硬件资源，比如说中断的打开和关闭，定时器，堆栈的处理等和ucos系统的内核关联起来，比如说我们这个内核文件需要关闭中断了，那么它是不知道你是用什么单片机，要怎么关闭单片机中断的，只要靠你来写一个关闭中断的函数，然后把这个函数地址赋值给它们的相关函数指针变量。同样的，我们这个系统内核也是需要用到单片机一些资源的，比如说10ms的定时时间，打开和关闭中断。所以我们单片机来实现这个过程就叫移植，那么我们这个内核移植非常简单，大家可以通过这个来理解一些操作系统的移植原理也会比较容易，移植的流程：

1、把OS_ClockInterruptHandle（）函数放到单片机定时器中断处理函数里，定时频率10ms
2、重写单片机总中断开关
3、通过OS_CPUInterruptCBSRegister（）函数把内核中断处理函数指针指向单片机总中断开关处理函数。

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