1 前言

该内容是工作一年来通过上网或其他方式不断搜索、实践、总结出来的嵌入式软件开发经验（本文仅适用于单片机的裸机开发），希望能帮到正在学习这方面的朋友，如有不好的地方，请多多见谅；在嵌入式软件开发过程中，程序架构的搭建尤为重要，下面介绍三种常用的程序框架设计方案：

前后台顺序执行法
时间片论法
操作系统

2 程序框架设计

2.1 前后台顺序执行法

这是初学者们常用的程序框架设计方案，不用考虑太多东西，代码简单，或者对系统的整体实时性和并发性要求不高；初始化后通过 while(1){ } 或 for(;;){ } 循环不断调用自己编写完成的函数，也基本不考虑每个函数执行所需要的时间，大部分情况下函数中或多或少都存在毫秒级别的延时等待。

优点：对于初学者来说，这是最容易也是最直观的程序架构，逻辑简单明了，适用于逻辑简单，复杂度比较低的软件开发。

缺点：实时性低，由于每个函数或多或少存在毫秒级别的延时，即使是1ms，也会造成其他函数间隔执行时间的不同，虽然可通过定时器中断的方式，但是前提是中断执行函数花的时间必须短。当程序逻辑复杂度提升时，会导致后来维护人员的大脑混乱，很难理清楚该程序的运行状态。

以下是我在学校期间做的寝室防盗系统的部分代码（当时也存在部分BUG，没有解决。现在再看，其实很多问题，而且比较严重，比如中断服务函数内竟然有3000ms延时，这太可怕了，还有串口发送等等；由于实时性要求不算太高，因此主函数中的毫秒级别延时对系统运行没有多大影响，当然除BUG外；若是后期需要维护，那就是一个大工程，还不如推翻重写）：

 int main(void){    u8 temperature;         u8 humidity;   int a;delay_init();NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
//   I2c_init(); uart2_Init(9600);uart_init(9600);   //串口初始化为115200  TIM3_Int_Init(4999,7199);ds1302_init();while(DHT11_Init()) //DHT11初始化  {led2=0;}a1602_init();
//   Ds1302Init();EXTIX_Init();         GPIOX_Init();lcd12864_INIT();LcdInit();beep_init();RED_Init();led1=1;beep=0;while(1){for(a=0;a<11;a++){num[a+3]=At24c02Read(a+2)-208;delay_us(10);                   }for(a=0;a<6;a++){shuru[a]=At24c02Read(a+13)-208;delay_us(10);               }       delay_ms(10);  RED_Scan();Ds1302ReadTime();                 //读取ds1302的日期时间shi=At24c02Read(0);              //读取闹钟保存的数据delay_ms(10);fen=At24c02Read(1);             //读取闹钟保存的数据         usart2_scan();                      //蓝牙数据扫描usart2_bian();                      //蓝牙处理数据usart2_gai();nao_scan();k++;if(k<20){if(k==1)LcdWriteCom(0x01);  //清屏LcdDisplay();                           //显示日期时间}if(RED==0)RED_Scan();if(k>=20&&k<30){if(k==20)LcdWriteCom(0x01);  //清屏Lcddisplay();                          //显示温湿度LcdWriteCom(0x80+6); DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);    //读取温湿度值    Temp=temperature;Humi=humidity;LcdWriteData('0'+temperature/10);LcdWriteData('0'+temperature%10);LcdWriteCom(0x80+0X40+6);  LcdWriteData('0'+humidity/10);LcdWriteData('0'+humidity%10);}if(k==30)k=0;lcd12864();                               //显示防盗闹钟状态}
}//定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{int i;if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否{TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0)               //时间一到闹钟响起{f=1;                     }
//      if(key1==0||FEN-fen!=0||SHI-shi!=0)else{f=0;}   if(USART_RX_BUF[0]=='R'&&USART_RX_BUF[1]=='I'&&USART_RX_BUF[2]=='N'&&USART_RX_BUF[3]=='G'){key0=1;for(i=0;i<17;i++){USART_SendData(USART1, num[i]);//向串口1发送数据while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束USART_RX_STA=0;   }   delay_ms(3000);for(i=0;i<3;i++){USART_SendData(USART1, num1[i]);//向串口1发送数据while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束USART_RX_STA=0;  }           }}
}

2.2 时间片论法

介于“前后台顺序执行法”和“操作系统”之间的一种程序架构设计方案。该设计方案需能帮助嵌入式软件开发者更上一层楼，在嵌入式软件开发过程中，若遇到以下几点，那么该设计方案可以说是最优选择，适用于程序较复杂的嵌入式系统；

目前的需求设计需要完全没有必要上操作系统

任务函数无需时刻执行，存在间隔时间（比如按键，一般情况下，都需要软件防抖，初学者的做法通常是延时10ms左右再去判断，但10ms极大浪费了CPU的资源，在这段时间内CPU完全可以处理很多其他事情）

实时性有一定的要求

该设计方案需要使用一个定时器，一般情况下定时1ms即可（定时时间可随意定，但中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差），因此需要考虑到每个任务函数的执行时间，建议不能超过1ms（能通过程序优化缩短执行时间则最好优化，如果不能优化的，则必须保证该任务的执行周期必须远大于任务所执行的耗时时间），同时要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时。

如何确定每个函数的任务周期呢？根据任务的耗时和效果决定、如按键扫描任务周期为 10ms（为了提高响应），指示灯控制任务周期为 100ms（通常情况下最高100ms的闪烁频率正好，特殊需求除外），LCD/OLED 显示周期为 100ms（通过这种通过SPI/IIC等接口的方式耗时大约在 1~10ms，甚至更长，所以任务周期必须远大于耗时，同时为了满足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太长，100ms 的任务周期比较合适）等

以下介绍两种不同的实现方案，分别针对无函数指针概念的朋友和想进一步学习的朋友。

2.2.1 无函数指针的设计方式

/*** @brief      主函数.* @param      None.* @return     None.*/
int main(void)
{System_Init();while (1){if (TIM_1msFlag)                            // 1ms{CAN_CommTask();                         // CAN发送/接收通信任务TIM_1msFlag = 0;}if (TIM_10msFlag)                           // 10ms{KEY_ScanTask();                         // 按键扫描处理任务TIM_10msFlag = 0;}if (TIM_20msFlag)                           // 20ms{LOGIC_HandleTask();                     // 逻辑处理任务TIM_20msFlag = 0;}if (TIM_100msFlag)                          // 100ms{ LED_CtrlTask();                         // 指示灯控制任务TIM_100msFlag = 0;}    if (TIM_500msFlag)                          // 500ms{TIM_500msFlag = 0;}    if (TIM_1secFlag)                           // 1s{WDog_Task();                            // 喂狗任务TIM_1secFlag = 0;}  }
}/*** @brief      定时器3中断服务函数.* @param      None.* @return     None.*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) // 溢出中断{sg_1msTic++;sg_1msTic % 1 == 0 ? TIM_1msFlag = 1 : 0;sg_1msTic % 10 == 0 ? TIM_10msFlag = 1 : 0;sg_1msTic % 20 == 0 ? TIM_20msFlag = 1 : 0;sg_1msTic % 100 == 0 ? TIM_100msFlag = 1 : 0;sg_1msTic % 500 == 0 ? TIM_500msFlag = 1 : 0;sg_1msTic % 1000 == 0 ? (TIM_1secFlag  = 1, sg_1msTic = 0) : 0;}TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);  // 清除中断标志位
}

2.2.2 含函数指针的设计方式

/*** @brief 任务函数相关信息结构体定义.*/
typedef struct{uint8 m_runFlag;                 /*!< 程序运行标记：0-不运行，1运行 */uint16 m_timer;                  /*!< 计时器 */uint16 m_itvTime;                /*!< 任务运行间隔时间 */void (*m_pTaskHook)(void);       /*!< 要运行的任务函数 */
} TASK_InfoType; #define TASKS_MAX     5              // 定义任务数目/** 任务函数相关信息 */
static TASK_InfoType sg_tTaskInfo[TASKS_MAX] = {{0, 1, 1, CAN_CommTask},         // CAN通信任务{0, 10, 10, KEY_ScanTask},       // 按键扫描任务{0, 20, 20, LOGIC_HandleTask},   // 逻辑处理任务{0, 100, 100, LED_CtrlTask},     // 指示灯控制任务{0, 1000, 1000, WDog_Task},      // 喂狗任务
};/*** @brief      任务函数运行标志处理.* @note       该函数由1ms定时器中断调用* @param      None.* @return     None.*/
void TASK_Remarks(void)
{uint8 i;for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++){if (sg_tTaskInfo[i].m_timer){sg_tTaskInfo[i].m_timer--;if (0 == sg_tTaskInfo[i].m_timer){sg_tTaskInfo[i].m_timer = sg_tTaskInfo[i].m_itvTime;sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 1;}}}
}/*** @brief      任务函数运行处理.* @note       该函数由主循环调用* @param      None.* @return     None.*/
void TASK_Process(void)
{uint8 i;for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++){if (sg_tTaskInfo[i].m_runFlag){sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook();         // 运行任务sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 0;         // 标志清0}}
}/*** @brief      主函数.* @param      None.* @return     None.*/
int main(void)
{System_Init();while (1){TASK_Process();}
}/*** @brief      定时器3中断服务函数.* @param      None.* @return     None.*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) // 溢出中断{TASK_Remarks();}TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);     // 清除中断标志位
}

2.3 操作系统

嵌入式操作系统EOS(Embedded OperatingSystem)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域，而对于单片机来说，比较常用的有 UCOS、FreeRTOS、RT-Thread Nano 和 RTX 等多种抢占式操作系统（其他如 Linux 等操作系统不适用于单片机）

操作系统和“时间片论法”，在任务执行方面来说，操作系统对每个任务的耗时没有过多的要求，需要通过设置每个任务的优先级，在高优先级的任务就绪时，会抢占低优先级的任务；操作系统相对复杂，因此这里没有详细介绍了。

关于如何选择合适的操作系统（[RTOS]uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX等RTOS的对比之特点）：

UCOS：网上资料丰富，非常适合学习，但是在产品上使用则需要收费

FreeRTOS：使用免费，因此很多产品都在用

RT-Thread：国产物联网操作系统，有着十分丰富的组件，也免费，资料：RT-Thread 文档中心

RTX：为ARM和Cortex-M设备设计的免版税，确定性的实时操作系统

借网上一张对比图：

总结

从上述的对比中可以看出，时间片轮询法的优势还是比较大的，它既有前后台顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解，所以这种是比较常用的单片机设计框架。

下篇：嵌入式软件开发之程序分层(二)

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