嵌入式开发之裸机前后台系统开发细节

裸机前后台系统开发概述

裸机前后台系统通常指在无RTOS环境下，通过主循环（后台）和中断服务程序（前台）协作完成任务的架构。前台处理实时性要求高的中断事件，后台处理非实时任务。

中断管理优化

中断服务程序（ISR）应保持短小精悍，仅处理关键操作。复杂逻辑可置标志位，交由后台处理。避免在ISR中调用阻塞式函数或耗时操作。

volatile uint8_t data_ready = 0;

void UART_IRQHandler(void) {
    if(UART->ISR & RXNE_FLAG) {
        buffer[rx_index++] = UART->RDR;
        data_ready = 1;  // 置位标志
    }
}

主循环设计原则

后台主循环应采用状态机模式，避免阻塞式延时。通过轮询标志位或事件队列处理任务，保持系统响应能力。

while(1) {
    if(data_ready) {
        process_uart_data();
        data_ready = 0;
    }
    check_button_status();
    update_display();
}

时间敏感任务处理

硬件定时器生成时基，配合软件计数器实现准确定时。定时器中断更新全局时间戳，后台任务通过时间差判断执行时机。

uint32_t systick = 0;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if(TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
        systick++;
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
    }
}

void delay_ms(uint32_t ms) {
    uint32_t target = systick + ms;
    while(systick < target);
}

资源共享保护

临界区资源访问需关闭中断，防止前后台冲突。关键数据结构应使用原子操作或临时中断禁止。

void critical_section(void) {
    __disable_irq();
    shared_variable++;  // 安全操作
    __enable_irq();
}

低功耗设计技巧

在空闲时段进入低功耗模式，利用中断唤醒。配置外设时钟门控，动态关闭未使用模块的电源。

void enter_sleep_mode(void) {
    HAL_SuspendTick();
    __WFI();  // 等待中断唤醒
    HAL_ResumeTick();
}

调试与日志记录

保留串口调试接口，设计环形缓冲区存储运行时日志。通过LED或GPIO输出脉冲辅助时序分析。

#define LOG_SIZE 256
struct {
    uint8_t buffer[LOG_SIZE];
    uint16_t head, tail;
} log_queue;

void log_message(const char* msg) {
    uint16_t next = (log_queue.head + 1) % LOG_SIZE;
    if(next != log_queue.tail) {
        strcpy(log_queue.buffer + log_queue.head, msg);
        log_queue.head = next;
    }
}

硬件初始化顺序

遵循时钟树初始化->GPIO配置->外设初始化的顺序。特别注意模拟外设的供电稳定时间。

void hardware_init(void) {
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_ADC1_Init();
}

内存管理策略

静态分配关键资源，避免动态内存分配。使用内存池技术管理固定尺寸对象。

typedef struct {
    uint8_t data[64];
    uint8_t status;
} mem_block;

mem_block pool[16];
uint8_t pool_index = 0;

mem_block* alloc_block(void) {
    if(pool_index < 16) return &pool[pool_index++];
    return NULL;
}

看门狗应用

独立看门狗（IWDG）用于防止系统死锁，窗口看门狗（WWDG）用于检测任务超时。喂狗位置需精心设计。

void task_monitor(void) {
    if(task_timeout) {
        NVIC_SystemReset();
    } else {
        IWDG->KR = 0xAAAA;  // 喂狗
    }
}