嵌入式C语言轻量级程序架构内核编写

时间：2022-03-06 12:56 来源：未知作者：初相遇收藏

这篇文章主要介绍了嵌入式C语言轻量级程序架构内核编写，文章将让大家学到轻量级程序架构的内核实现原理、轻量级程序架构的设计思想、了解单片机常用的程序架构等更多C语言轻量级程序架构相关内容,需要的朋友可以

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：

嵌入式C语言轻量级程序架构内核编写

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：