A005-软件结构-从前后台到调度器

主要内容：
(1). 前后台
(2). 事件管理
(3). 时间触发的调度器(分时复用)
(4). 事件触发的调度器(状态机)
(5). 中断的上下半部机制

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开发环境：AVR Studio 4.19 + avr-toolchain-installer-3.4.1.1195-win32.win32.x86
芯片型号：ATmega16
芯片主频：8MHz

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本文将一步步地、将软件的结构、从简单前后台过渡到调度器。

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1、 概述：

       简单的前后台结构如上图所示。
      前台以 中断为中心， 后台以 CPU为中心。
      这里显示着程序涉及到的 3个资源： 中断、 RAM、 CPU，并隐含第 4个资源： 时间( CPU消耗多少比例的时间在某个任务上)。

      这种结构下、每个任务产生的 数据，都直接作为 全局变量放在 RAM里面、所有任务都可以直接使用。
      其中：
1、 1ms定时任务：每隔 1ms更新一次 时刻计数值
2、 红外接收任务：任意时刻(随机)收到红外码、就更新 红外接收数据的数值
3、 数值运算01任务：计数完毕后、更新 计算结果01的数值
4、 数码管刷新任务：需要读取 计算结果01的数值
5、 红外发送任务：需要读取 按键码的数值、如果是按键1按下、就启动1次红外发送
6、 按键扫描任务：任意时刻(随机)按下按键、就更新 按键码的数值

      这样的结构容易出现以下问题：
1、任务数量如果较多、就会有很多任务函数排队在 后台CPU的主循环中等待被顺序执行、显得比较拥挤。
      我们不能确定地知道某个任务到底是在哪个时刻被执行的，这使得我们只能粗略的估计出一个任务会在间隔多久后被执行。
      而 按键扫描和 数码管刷新等任务最好在 稳定的间隔时刻被周期性地执行，才能保证最终的效果。
2、任务之间可以直接调用其他任务的 子函数、这会导致代码结构不够清晰，功能越复杂、互相调用越多，维护代码就越麻烦。
      而任务之间使用 全局变量来传递数据和信息的情况、将会加大这种维护的难度。
3、某些 数据可能会同时被多个任务使用，这是可能出现冲突： 任务1正在使用 数据A、此时中断中的 任务2打断进来、修改了 数据A。
      等到程序返回 任务1后、被修改的 数据A可能导致本次的 任务1出错。

     对此、我们可以做如下改进、以应对这些问题：
1、使用某种 任务调度方式：分时调度、事件触发调度
2、引入 事件管理，将部分共享的数据纳入事件队列统一存储管理
3、对数据访问引入 加锁
4、尽量减少可以 中断其他任务的抢占式任务的数量
5、 中断中只收发数据，具体的数据处理放入后台任务，比如使用中断上下半部方式

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2、后台CPU分时调度任务

      这一步将使用 分时调度的方式对 后台CPU处理的任务队列进行改进，具体结构如下：
      CPU每隔 1ms或调度1个任务，直到所有任务都被调用一遍。
      大体结构如下：

      这里设置一个长度为6的任务队列， CPU每隔 1ms就去任务队列中调度1个任务，直到完全遍历任务队列的全部6个元素。
      调度周期是 6ms，也就是说、每个任务都是每隔 6ms被调度1次，或者说是每个时刻调度1个任务，调度周期是6个时刻。
      如果任务数量少于6个，也并不减小任务队列的长度、因为我们需要保持每个任务的调度周期都是固定的。
      这种实现方式相当简洁，任务在何时被调度是很清晰的。

       CPU也可以让每个任务有自己的周期：
      (1). 每隔 10个时刻调度1次 红外发送任务(通常延迟 10ms再启动数据发送并不会有什么副作用)
      (2). 每隔 10个时刻调度1次 按键扫描任务
      (3). 每隔   2个时刻调度1次 数码管刷新任务
      (4). 每隔   1个时刻调度1次 数值计算01任务
      这将使用一个时间触发的 调度器来实现、大体结构如下(1个任务的调度周期一到、就认为该任务已就绪)：


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3、前台分时调度任务

      既然是利用 1ms定时任务产生的时刻值去调度任务，那么也可以直接在 前台里面、每当产生新的 时刻值、就去调度1个任务：

      CPU在这里什么都不用做、任务结束后去 休眠即可。
      每次 中断到来时、 CPU被唤醒，将 中断函数执行完毕并返回之后， CPU再次进入 休眠。
      很多应用中、这也是一个很好的方式，整个系统完全由 中断事件驱动， CPU平时处于静默。

      而对于任务较多、功能较为繁重的情形，一般使用由 CPU调度任务的方式、以保持 中断的 轻巧简洁，
      以应对较多的 中断事件，尤其是随机的 中断事件。

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4、事件/消息管理

(1). 概述

      上面是 任务调度上的组织，下面进行 RAM数据上的组织，使得任务之间互相隔离、不再互相使用对方的 子函数和 全局变量。

事件： 1ms定时任务 每隔 1ms产生一个 时刻值，我们可以视为是每隔 1ms产生一个事件： 1ms时刻到事件、或 时刻(时基)更新事件。
            按键扫描任务在按键按下后产生 按键码，我们也将其视为是发生了1个事件： 按键按下事件、带一个 参数(按键号和按键类型)。
消息：本文将 事件(event)所带的 参数称为 消息(message)，以区分 事件本身和事件的 参数。
          事件/消息管理简称 事件管理。

      在 简单的前后台结构里面、 事件和 消息都是作为 数据、直接使用 全局变量来存放的。
      下面要将这些 数据统一放在一个 事件队列里面进行管理，不再分散到每个任务单独管理。
      每个任务产生的 事件、都统一交给 事件队列存储管理，它们不再是任务私有的 数据。

      事件管理下的 后台CPU分时调度任务方式：

      比如、 数值计算01任务在执行后将向 事件队列发出2个 事件： 计算结果01事件( 参数=计算结果)， 数码管刷新事件( 参数=计算结果)。
      虽然这些 数据需要显示在 数码管上，但产生这些 数据的 数值计算01任务不去调用 数码管的 显示函数。
      它并不负责这个、也不关心这些数据是否被 数码管正确地使用。
      数码管刷新任务自己会到 事件队列里面去查询 数码管刷新事件的是否有效。
      如果该事件的有效，它就将 数码管刷新事件对应的 参数取出来、送到 数码管显示，至于这个 数据由哪个任务产生，它并不关心。
      也就是说、任务之间相互独立。

      关于 事件管理在前后台中的应用、可以参考这篇文章 《消息机制在软件设计中的应用》。

(2). 基本结构

事件队列的结构如下：

      图中事件队列的结构中包含了事件的三个信息：事件 类型(告诉我们这是什么事件)、事件的 参数、事件的 锁定状态。
       事件(event)放入 type部分，事件的 消息(message)放入 data部分。
      对应如下结构：

// 事件队列的结构(type[7bit],lock[1bit],data[32bit])
typedef struct 
{
    uint8_t  type :7 ;  // 事件类型、如数码管数据有更新：EVENT_SEG_UPDATE
    uint8_t  lock :1 ;  // 加锁标志
    uint32_t data;      // 事件参数、如数码管的数据：1265214
}T_EVENT_LIST, *pT_EVENT_LIST;

      至于 消息是否需要 加锁：
      1、如果 约定所有 中断中都不访问 事件队列，就不需要 加锁。
           此时， 中断做得比较小巧、只接收或发送数据，数据处理都在后台的某个任务中完成。
           在某个任务访问 事件队列期间，打断它的 中断都不会访问 事件队列，因为不用担心数据会被修改。
      2、如果允许 中断访问 事件队列，就需要 加锁。
      3、如果 后台CPU的 调度方式里面、包含 软件中断，那么可能需要 加锁。

(3). 事件队列的代码实现

sys_event.h：

// ==========================================================================================================
// Copyright (c) 2016 Manon.C <codingmanon@163.com>
// 
// Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy of this software and 
// associated documentation files (the "Software"), to deal in the Software without restriction, including 
// without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or 
// sell copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject 
// to the following conditions:
// 
// The above copyright notice and this permission notice shall be included in 
// all copies or substantial portions of the Software.
// 
// THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING 
// BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND 
// NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, 
// DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, 
// OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
// 
// ---------------------------
// 本文定义了事件管理模块
// 
// 说明：
// (1).本文将事件(event)所带的参数称为消息(message)，以区分事件本身和事件的参数
// 
// ==========================================================================================================
#ifndef __SYS_EVENT_H__
#define __SYS_EVENT_H__



#include <avr/interrupt.h>
#include "sys_timer.h"
#include "config.h"


// 事件(事件的类型tpye,为8bit)(事件的参数data,为32bit)
typedef enum 
{
    EVENT_SYS,
    EVENT_KEY,
    EVENT_IR_RECIEVE,
    EVENT_IR_SEND,
    EVENT_RTC,
    EVENT_DIGITAL_FORMAT,// 数据进制格式、范围：[2,16]进制
    EVENT_SEG_UPDATE,    // 参数为32bit的事件(必须至少有一个、避免数组sys_event_int32[]的元素个数为0)
    EVENT_MAX
}EVENT;


// 事件队列的结构(type[7bit],lock[1bit],data[32bit])
typedef struct 
{
    uint8_t  type :7 ;  // 事件类型、如数码管数据有更新：EVENT_SEG_UPDATE
    uint8_t  lock :1 ;  // 加锁标志
    uint32_t data;      // 事件参数、如数码管的数据：1265214
}T_EVENT_LIST, *pT_EVENT_LIST;

// 事件管理器的结构(任务独占的事件缓存应是这种结构：T_EVENT_INT32 task_event_buffer[])
typedef struct 
{
          uint8_t number;   // 缓存中的事件数量
    pT_EVENT_LIST pBuffer;  // 事件缓存的地址
}T_TASK_EVENT_BOX;


void sys_event_lock(uint8_t type);
void sys_event_unlock(uint8_t type);
void sys_event_unlock_all(void);
uint8_t sys_event_any_lock(void);

void sys_event_init(void);
void sys_event_buffer_set(const p_void_funtion_void task, const pT_EVENT_LIST buffer);
void sys_event_buffer_post(const p_void_funtion_void task, const uint8_t event_number);
bool sys_event_push(void);
bool sys_event_post(uint8_t type, uint32_t data);

bool sys_event_get(pT_EVENT_LIST event);
bool sys_event_peek(uint8_t type, uint32_t data);
bool sys_event_data(uint8_t type, uint32_t *data);



#endif	// #ifndef __SYS_EVENT_H__

sys_event.c：

#include "sys_event.h"


// 事件队列
static T_EVENT_LIST sys_event_list[EVENT_MAX];

// 事件管理器
// (保存着每个任务独占的事件缓存的首地址，数组下标和任务