论嵌入式单片机软件架构

这注定是一篇耗时很长的文章，做个标记，文章始于2019年1月8日，不知何时完结。
为什么会想到写这篇文章呢？
因为作为一个从单片机汇编语言开始，到单片机C编程、再到ARM实时操作系统、一步一步摸爬滚打走到Linux世界的嵌入式软件工程师，也有十二年了；而今主要在Linux环境下写嵌入式软件，我不想把单片机领域积累的知识就此慢慢遗忘，遂决定把我以往的知识做一下总结，提炼到一篇文章当中，这不是一件容易的事；写到这里，以下都不知从何写起，待我构思几天吧…

经过几天的回忆与思考，分析了我的成长路径，选择一些我自认为是成长关键点的位置，总结一个关键字，一步一步来讨论关于嵌入式单片机软件的架构。
我先把总结出的关键字写出来吧：流水式、中断前后台、任务式、状态机、模块、分层、封装，操作系统多任务；这些就是我总结出的关键字，写这篇博客我决定不参照其他博客，只把我心中所想以及以前的代码示例或者记录翻出来，再加修改，然后呈现出来，供大家品鉴。

下面就从我的第一份工作说起吧。

流水式

我的第一份工作是从PIC单片机开始的，使用汇编语言；当时刚刚毕业，在学校学的是51单片机，毕业设计使用51单片机做一个飞利浦的RC50013.56MHz的读卡器，那时对编程还处于朦胧状态，不存在架构的思想，就是按照功能一步一步的写。

所谓流水式，就是按照工作的流程一步一步实现，直到完成流程内的所有事情，最后再回到起始，从头开始。我用这样的思想写的第一份代码，是控制一个双向交流电机平移门，平移门就是开门与关门。流程如下：

由以上流程可以看出，我的代码就是按照这个流程一步一步堆砌出来的，哪里来的编程思想，这样的程序有哪些缺点呢？

1. 会有很多位置检测相同的信号，例如遥控信号、限位限号
2. 有多个位置执行电机控制动作
3. 每次用软件信号抖动，都是直接的硬延时（所谓硬延时就是，直接delay，在delay过程中什么也不做）
4. 在控制电机的过程不好扩展，功能也不好扩展（还好当时功能也比较简单）

这种简单的工作流代码堆砌，没什么好说的，工作流越长，逻辑越多，程序的分支越多，代码堆砌的越长。
呵呵，我这个代码可是配合硬件卖了一千多套呢！

中断前后台式

后来经过学习，接触到了中断与前后台编程方法；可是有的人说中断是前台，主程序是后台；有的人说中断是后台，主程序是前台；其实我觉得无所谓前台与后台；主要是程序被分为了顺序循环与异步中断两部分。那么就以我理解的前后台与中断来说一说吧。

• 前台：程序主循环，除去while（1）前面必要的初始化部分外，主循环内完成程序的业务逻辑；至于如何完成业务逻辑、业务逻辑上有哪些是需要一些触发点、需要什么事件来推动业务逻辑的执行等，可由后台中断部分来设置触发条件、事件等。
• 后台中断：由于中断的特点，发生时间是未知的，例如按键、遥控信号等；无法预知在什么时候发生，但它却是推动业务执行触发点。
• 典型的由中断配合定时器可以很好地解决按键消抖问题，在按键按下产生中断后，设置并启动一个定时器，在定时器中断里面再次检测按键的值是否一样，就可进行抖动消除，同时又不占用主程序的执行时间。

举一个电机控制上例子：直流电机的软启动。什么叫软启动呢？直流电机在启动时，若直接给出额定电压，由于电机启动的瞬间属于堵转状态，会有很大的电流尖峰，有可能造成MOS烧坏，所以可以在电机启动时，不直接给出全部的电压，而是从%60的电压开始，经过一点时间慢慢抬升到额定电压（假设时间为0.5S）；这也称为PWM调速。
要做到这样，需要在MOS管的驱动端给出PWM信号，这样的程序逻辑怎么由前后台完成呢？

1. 首先前台主循环检测到电机启动触发信号之后，先设置电机的工作状态，同时开启一个PWM定时器，只不过此时PWM的初始占空比为%60。到此前台要做的事情就完毕了。
2. 后台定时器中断，假设定时器中断为1ms，每1ms产生一次中断，向PWM定时器写入新的值，提高PWM占空比，直到在500ms处将占空比提高到%100，电机全速运行。

整个过程，前台主循环只负责将定时器开启，不具体执行电机的控制动作，剩下的电机开启以及PWM调速全部都在中断里完成。

有的人说，在中断里不能做的很复杂，不能做耗时很长的事情，基本上说的没错，但是有一些应用却并不如此，例如使用MSP430系列单片机完成超低功耗应用，主程序就是休眠的，在中断里完成业务逻辑也是可以的。

随着程序的功能越来越多，逻辑越来越复杂，简单的前后台也不足以胜任，但是以后的软件框架都要基于前后台，不可能再次脱离此结构，只不过在程序主循环与中断上做的文章也越来越多而已。

任务式

当嵌入式系统的功能越来越多，我们肯定不想把所有的代码全部都简单堆积在while（1）中，超过500行的代码，简直都没法阅读，逻辑也不清晰；因此我们会想，程序都有哪些功能呢，能不能把保业务逻辑分一分，哪些事情是相对独立的，划分出不同的任务来，由这些任务组合去完成整体的功能。
假设一个小型的嵌入式系统有以下功能：

• 液晶显示（点整或段式液晶）：显示数据内容、参数等信息
• 控制操作：执行电机控制、继电器的开关等操作
• 按键菜单：操作按键，在液晶上显示菜单、修改参数等
• 数据存储：存储必要的运行参数、用户信息等
• 命令接收与处理：接收串口的命令，处理后恢复，并根据相应的命令执行