嵌入式裸机计划思想——时间片轮裸机开发架构+状态机+定时器调理机制 ...

前言

   （1）假如有嵌入式企业需要雇用校园大使，湖南地区的日常实习，任何地区的暑假Linux驱动实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：zhangyixu02@gmail.com，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）在MCU开发的时间，很多入门者会固执的认为，做项目一定要上及时操作体系。但是真的是这样的吗？
（3）我曾经阅读过一位10年嵌入式开发经验的大佬分享的公众号，这位大佬感叹到，实在对于绝大多数时间，MCU开发不需要上操作体系。只要任务分配的合理，百分之九十的项目不上操作体系都是可以大概跑的。
（4）本日我就分享一下我之前备赛期间所搭建基于TM4C123的工程模板。不过这个模板题目还是有很多，好比模块之间耦合很严峻，当时没有这个意识，如今才发现写的有多垃圾。虽说云云，但本人认为还是有优点的地方。
（5）留意：本文需要一点函数指针，布局体，枚举的知识，不相识的同学请先去增补好底子再来看
  正文

状态机

   （1）状态机实在很好理解，说白了就是一个switch()语句。根据情况将一个任务拆分成多种。例如，在我的代码中，有一个OLED体现步伐。因为OLED体现黑白常浪费时间的，为了不因为一个这样的步伐，而影响到其他任务的实行，我们可以将OLED体现任务分成多个，依次体现。

1. static void Display(void)
2. {
3.         static uint8_t gray_display_state=2;
4.         switch(gray_display_state)
5.         {
6.                 case 2:gray_display_state++;break;
7.                 case 3:gray_display_state++;break;
8.                 case 4:gray_display_state++;break;
9.                 case 5:gray_display_state++;break;
10.                 case 6:gray_display_state++;break;
11.                 default:gray_display_state = 2;
12.         }
13. }

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  （2）上面那种实在是最简单的形式，整个状态是呈现圆圈型状的状态机。但是，我们有时间会碰到一些情况，他的状态有很多种任务流程，例如洗衣机，有待机状态，运行状态，运行结束之后的主动停止进入待机状态，手动关停状态，因一些非常情况引起的停止状态。因此，状态机也是一个很好的思路。
  

1. enum Washer_State_List
2. {
3.         off,            //待机状态
4.         run,            //运行机状态
5.         automatic_stop, //自动停止
6.         hand_stop,      //手动关停状态
7.         malfunction     //故障
8. };
9. static void washer_control(void)
10. {
11.         static uint8_t washer_state=2;
12.         switch(washer_state)
13.         {
14.                 case off:
15.                         LCD_show("stop");
16.                         if(operation_key == true) washer_state = run;
17.                         break;
18.                 case run:
19.                         LCD_show("runing");
20.                         //如果手动关停
21.                         if(hand_stop_key == true) washer_state = hand_stop;
22.                         //如果计时结束
23.                         if(time-- == over) washer_state = automatic_stop;
24.                         //识别到了异常
25.                         if(err == true) goto err;
26.                         break;
27.                 case automatic_stop:
28.                         //显示洗衣机已经关闭
29.                         LCD_show("Finished washing");
30.                         washer_state = off;
31.                         break;
32.                 case hand_stop:
33.                         //关闭洗衣机
34.                         washer_stop();
35.                         //显示洗衣机已经手动关闭
36.                         LCD_show("Manually closed");
37.                         washer_state = off;
38.                         break;
39.                 case malfunction:
40.                         err :
41.                                 //关闭洗衣机
42.                                 washer_stop();
43.                                 //报警
44.                                 alarm_system(on);
45.                                 //显示机器故障
46.                                 LCD_show("Machine failure");
47.                                 washer_state = off;
48.                         break;
49.                 default:gray_display_state = 2;
50.         }
51. }

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时间片轮裸机开发架构

   （1）这个机制名字很多，有些人叫做软定时器，有些叫做Easy51RTOS，具体叫做什么，我们就不穷究了。
（2）新手入门MCU裸机开发，肯定都是一股脑的采用while(1)死循环，然后一直跑。假如是开发稍微复杂一点点的任务时间，你就会深刻的感受到，这样写毕竟有多垃圾。
（3）一股脑的while(1)死循环，然后内里堆一大堆的任务，这样做有一下几种题目：
<1>在后续的维护中非常复杂。想找到目标任务找起来很费力。
<2>并不是所有的任务都需要频仍实行，例如OLED体现，就是一个非常费时间，但是又没有须要一直保持刷新的任务。他只要可以大概做到50ms刷新一次就可以大概做动画了。因此这种任务放在while(1)无脑实行无疑是对CPU的浪费，导致真正需要CPU实行的任务没有有效的照顾。
（4）为了优化上面这些题目，大佬们于是提出了基于时间片的裸机开发架构，我们可以利用一个定时器提供心跳，不停的进行计数。然后当定时时间一到，那么就可以开始实行相应的任务了。
（5）时间片轮转的裸机架构看起来是不是很完美？NO，不是的，他确实比无脑while(1)优秀很多，但是我们需要知道，每个任务的实行时间不能超出一次时间片。（例如我们上面的滴答定时器是2ms定时，所以时间片是2ms）
（6）因此，我们需要大概估计每个任务的实行时间，这里有很两种做法：
<1>利用滴答定时器，当任务开始记载当前时间，任务结束记载当前时间然后两者相减。
<2>进入函数，让某个引脚为高电平，函数结束让他为低电平，然后用示波器捕捉这个引脚的上升沿和下降沿。（这个方法感觉有点麻烦，我是使用的第一个）
（7）时间片轮裸机开发框架机制确实非常好，但是毕竟还是软件实现的任务调理，及时性只能说相对于只有一个while(1)好，对于其他的机制还是不太行。所以我个人还是发起，只有不紧张的任务，对整个项目影响不大的任务可以放在这个框架内里，例如OLED体现，按键扫描。

1. /*------------------------------------------------*/
2. /*------------------- systick.c ------------------*/
3. /*------------------------------------------------*/
4. /* 滴答定时器中断，每2毫秒进入一次，count表示过了多少个2毫秒，最多计时2366多个小时*/
5. static void SycTickHandler(void) {
6.         counter++;
7.         task_remarks();    //用于任务调度，此任务执行时间在5us之内
8. }
9. /*------------------------------------------------*/
10. /*-------------------- Task.h --------------------*/
11. /*------------------------------------------------*/
12. #ifndef     _Task__H
13. #define     _Task__H
15. // 任务结构
16. typedef struct
17. {
18.     uint8_t  run;                          // 程序运行标记：0：不运行，1：运行
19.     uint16_t timer;                        // 定时器，用于自减 单位：ms
20.     uint16_t itv_time;                     // 任务运行间隔时间 单位：ms
21.     void (*hook)(void);                    // 要运行的任务函数
22. } task_params_t;  
24. /*****    函数声明    *******/
25. void task_proc(void);     //任务执行处理
26. void task_remarks(void);  //任务标志位处理
28. #endif
29. /*------------------------------------------------*/
30. /*-------------------- Task.c --------------------*/
31. /*------------------------------------------------*/
32. static void SW_Scan(void);
33. // 任务清单
34. enum TASK_LIST {
35.         TASK1_SW_Scan,                    // 任务2，按键扫描
36.         TASK2_Display,                    // 任务3，OLED显示
37.        
38.         TASKS_NUM                         // 任务总数
39. };
42. //任务列表
43. static task_params_t s_task_params[TASKS_NUM] = {
44.         {0, Task_interval_ms(20),  Task_interval_ms(20),  SW_Scan },                  //任务2
45.         {0, Task_interval_ms(10),  Task_interval_ms(10),  Display },                  //任务3
46. };
48. /*
49. *********************************************************************************************************
50. *        函 数 名: task_proc
51. *        功能说明: 任务处理
52. *        形    参：无
53. *        返 回 值: 无
54. *********************************************************************************************************
55. */
56. void task_proc(void)
57. {
58.     uint8_t i = 0;
60.         for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++)
61.         {
62.                 if(s_task_params[i].run)
63.                 {
64.                         s_task_params[i].run = 0;
65.                         s_task_params[i].hook();
66.                         s_task_params[i].timer = s_task_params[i].itv_time;
67.                         break;
68.                 }
69.         }
70. }
73. /* 作用 ： 任务标志处理，单位是2ms，因为滴答定时器中断设置的是2ms
74. * 传入参数 ： 无
75. * 返回参数 ： 无
76. * 任务时间 ： TASKS_NUM少于10的时候，运行速度在5ns之内
77. */
78. void task_remarks(void)
79. {
80.         uint8_t i = 0;
82.         for(i = 0; i < TASKS_NUM; i++)
83.         {
84.                 if(s_task_params[i].timer)
85.                 {
86.                         s_task_params[i].timer--;
88.                         if(s_task_params[i].timer == 0)
89.                         {
90.                                 s_task_params[i].run = 1;
91.                         }
92.                 }
93.         }
94. }
96. /*****************************************************************************************/
97. /*************************************  按键扫描任务  *************************************/
98. /*****************************************************************************************/
99. static void SW_Scan(void)
100. {
101.         //...
102. }
104. /*****************************************************************************************/
105. /*********************************  灰度传感器时间显示任务  *******************************/
106. /*****************************************************************************************/
107. static void Display(void)
108. {
109.         static uint8_t gray_display_state=2;
110.         switch(gray_display_state)
111.         {
112.                 case 2:
113.                         gray_display_state++;
114.                         //...
115.                         break;
116.                 case 3:
117.                         gray_display_state++;
118.                         //...
119.                         break;
120.                 case 4:
121.                         gray_display_state++;
122.                         //...               
123.                 break;
124.                 case 5:
125.                         gray_display_state++;
126.                         //...
127.                         break;
128.                 case 6:
129.                         gray_display_state++;
130.                         //...
131.                         break;
132.                 default:
133.                         gray_display_state = 2;
134.         }
135. }

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定时器调理

   （1）假如经验稍微丰富的同学会发现，上面的方法实在还是有题目的。例如有些任务我需要说实行就实行，假如是按照上面的方法来肯定是有一点点痴钝的。
（2）因此，我们可以采用定时器调理机制，例如我们的编码器数值读取和PID运算是优先级最高的任务，他的影响因素非常大，是我们的核心任务，所以他单独分配一个定时器。
（3）然后其他的一些任务，很相对来说，比较紧张，但是却又不是核心任务。因此，我们可以将它存放在一个优先级低一级的定时器中。
（4）假如还有剩余的定时器，你可以自己根据需求进行任务分级，然后实现定时器调理功能。

1. //用于获取编码器的值
2. systime Time0_Delta;
3. void TIMER0A_Handler(void)
4. {
5.   get_systime(&Time0_Delta);
6.         cnt = 1;
7.         left_motor_speed_cmps =get_left_motor_speed();   //获取左边轮子实际速度值
8.         right_motor_speed_cmps=get_right_motor_speed();  //获取右边轮子实际速度值
9.         Motor_Foreward_Right(400);
10.         Motor_Foreward_Left(400);
11.   TimerIntClear(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);   //清除中断标志位
12. }
13. //普通任务
14. systime Time1_Delta;
15. void TIMER1A_Handler(void)
16. {
17.   get_systime(&Time1_Delta);
18.         cnt = 2;
19.         //任务列表
20.         //超声波数据解析
21.   US_100_Statemachine(UART5_BASE);  
22.         //MPU6050数据采集
23.         MPU6050_Read_Data(&WP_Sensor.gyro_raw,&WP_Sensor.accel_raw,&WP_Sensor.temperature);
24.   TimerIntClear(TIMER1_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);  //清除中断标志位
25. }

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总结

   （1）假如我们相识了如上机制，对于后续的操作体系学习，以及任务调理的理解会有一定的帮助。
（2）使用如上机制之后，也会很好的管理项目标各种任务，多裸机开发也很有利。

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