中斷多任務(wù)+狀態(tài)機(jī) 單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú) os 的系統(tǒng)，流行的設(shè)計(jì)是主程序(主循環(huán) ) + （定時(shí)）中斷，這種結(jié)構(gòu)雖然符合自然想法，不過(guò)卻有很多不利之處，首先是中斷可以在主程序的任何地方發(fā)生，隨意打斷主程序。其次主程序與中斷之間的耦合性（關(guān)聯(lián)度）較大，這種做法 使得主程序與中斷纏繞在一起，必須仔細(xì)處理以防不測(cè)。

那么換一種思路，如果把主程序全部放入（定時(shí)）中斷中會(huì)怎么樣？這么做至少可以立即看到幾個(gè)好處: 系統(tǒng)可以處于低功耗的休眠狀態(tài)，將由中斷喚醒進(jìn)入主程序; 如果程序跑飛，則中斷可以拉回；沒(méi)有了主從之分（其他中斷另計(jì)），程序易于模塊化。

(題外話：這種方法就不會(huì)有何處喂狗的說(shuō)法，也沒(méi)有中斷是否應(yīng)該盡可能的簡(jiǎn)短的爭(zhēng)論了)

為了把主程序全部放入（定時(shí)）中斷中，必須把程序化分成一個(gè)個(gè)的模塊，即任務(wù)，每個(gè)任務(wù)完成一個(gè)特定的功能，例如掃描鍵盤(pán)并檢測(cè)按鍵。 設(shè)定一個(gè)合理的時(shí)基 (tick), 例如  5, 10 或 20 ms,  每次定時(shí)中斷，把所有任務(wù)執(zhí)行一遍，為減少?gòu)?fù)雜性，一般不做動(dòng)態(tài)調(diào)度（最多使用固定數(shù)組以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，做動(dòng)態(tài)調(diào)度就接近 os 了），這實(shí)際上是一種無(wú)優(yōu)先級(jí)時(shí)間片輪循的變種。來(lái)看看主程序的構(gòu)成：

                void main()

                {

                   ….   // Initialize

                   while (true) {

                                IDLE；     //sleep

                   }

                }

這里的 IDLE 是一條sleep 指令，讓 mcu 進(jìn)入低功耗模式。中斷程序的構(gòu)成

                void Timer_Interrupt()

                {

                                 SetTimer();

                                 ResetStack();

                                 Enable_Timer_Interrupt;

                                 ….

進(jìn)入中斷后，首先重置Timer, 這主要針對(duì)8051, 8051 自動(dòng)重裝分頻器只有 8-bit, 難以做到長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)；復(fù)位 stack ，即把stack 指針賦值為棧頂或棧底（對(duì)于 pic， TI DSP 等使用循環(huán)棧的 mcu 來(lái)說(shuō)，則無(wú)此必要），用以表示與過(guò)去決裂，而且不準(zhǔn)備返回到中斷點(diǎn)，保證不會(huì)保留程序在跑飛時(shí)stack 中的遺體。Enable_Timer_Interrupt 也主要是針對(duì)8051。8051 由于中斷控制較弱，只有兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，而且使用了如果中斷程序不用 reti 返回，則不能響應(yīng)同級(jí)中斷這種偷懶方法，所以對(duì)于 8051, 必須調(diào)用一次 reti 來(lái)開(kāi)放中斷：

                 _Enable_Timer_Interrupt:

                                acall       _reti

                 _reti:        reti         

下面就是任務(wù)的執(zhí)行了，這里有幾種方法。第一種是采用固定順序，由于mcu 程序復(fù)雜度不高，多數(shù)情況下可以采用這種方法：

…

                Enable_Timer_Interrupt;

                ProcessKey();

                RunTask2();

                …

                RunTaskN();

                while (1) IDLE；

可以看到中斷把所有任務(wù)調(diào)用一遍，至于任務(wù)是否需要運(yùn)行，由程序員自己控制。另一種做法是通過(guò)函數(shù)指針數(shù)組：

                #define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))

typedef void (*FUNCTIONPTR)();

const FUNCTIONPTR[] tasks = {

ProcessKey,

RunTask2，

…

RunTaskN

};

                void Timer_Interrupt()

                {

                                 SetTimer();

                                 ResetStack();

                                 Enable_Timer_Interrupt;

                     for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++)

                                (*tasks[i])();

         while (1) IDLE；

}

使用const 是讓數(shù)組內(nèi)容位于 code segment （ROM) 而非 data segment (RAM) 中，8051 中使用 code 作為 const 的替代品。

(題外話：關(guān)于函數(shù)指針賦值時(shí)是否需要取地址操作符 & 的問(wèn)題，與數(shù)組名一樣，取決于 compiler. 對(duì)于熟悉匯編的人來(lái)說(shuō)，函數(shù)名和數(shù)組名都是常數(shù)地址，無(wú)需也不能取地址。對(duì)于不熟悉匯編的人來(lái)說(shuō)，用 & 取地址是理所當(dāng)然的事情。Visual C++ 2005對(duì)此兩者都支持)

這種方法在匯編下表現(xiàn)為散轉(zhuǎn), 一個(gè)小技巧是利用 stack 獲取跳轉(zhuǎn)表入口:

                                    mov                A, state

                                             acall                MultiJump

                                             ajmp               state0

                                             ajmp               state1

                                    ...

MultiJump:                  pop                DPH

                                 pop                DPL

                                 rl                    A

                                 jmp                @A+DPTR

還有一種方法是把函數(shù)指針數(shù)組（動(dòng)態(tài)數(shù)組，鏈表更好，不過(guò)在 mcu 中不適用）放在 data segment 中，便于修改函數(shù)指針以運(yùn)行不同的任務(wù)，這已經(jīng)接近于動(dòng)態(tài)調(diào)度了：

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

                tasks[0] = ProcessKey;

                tasks[0] = RunTaskM;

                tasks[0] = NULL;

                             ...

                            FUNCTIONPTR pFunc;

                for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)  {

                          pFunc = tasks[i]);

                          if (pFunc != NULL)

                                      (*pFunc)();

                }

通過(guò)上面的手段，一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的框架形成了，下面的事情就是保證每個(gè) tick 內(nèi)所有任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間總和不能超過(guò)一個(gè) tick 的時(shí)間。為了做到這一點(diǎn)，必須把每個(gè)任務(wù)切分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，每個(gè) tick 內(nèi)運(yùn)行一片。這里引入了狀態(tài)機(jī) (state machine) 來(lái)實(shí)現(xiàn)切分。關(guān)于 state machine,  很多書(shū)中都有介紹， 這里就不多說(shuō)了。

(題外話：實(shí)踐升華出理論，理論再作用于實(shí)踐。我很長(zhǎng)時(shí)間不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到學(xué)習(xí)UML/C++，書(shū)中介紹 tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然開(kāi)朗。功夫在詩(shī)外，掌握 C++, 甚至C# JAVA, 對(duì)理解嵌入式程序設(shè)計(jì)，會(huì)有莫大的幫助)

狀態(tài)機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)簡(jiǎn)單，第一種方法是用 swich-case 實(shí)現(xiàn)：

            void RunTaskN()

                {

                switch (state) {

                                case 0: state0(); break;

                                case 1: state1(); break;

                                …

                                case M: stateM(); break;

                                default:

                                                state = 0;

                }

}

另一種方法還是用更通用簡(jiǎn)潔的函數(shù)指針數(shù)組：

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };

void RunTaskN()

{

(*states[state])();

}

下面是 state machine 控制的例子：

void state0() { }            

void state1() { state++; }   //  next state;

void state2() { state+=2; }   //  go to state 4;

void state3() { state--; }      //  go to previous state;

void state4() { delay = 100; state++; }

void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }   //delay 100*tick

void state6() { state=0; }      //  go to the first state

一個(gè)小技巧是把第一個(gè)狀態(tài) state0 設(shè)置為空狀態(tài)，即：

                void state0() { }

這樣，state =0可以讓整個(gè)task 停止運(yùn)行，如果需要投入運(yùn)行，簡(jiǎn)單的讓 state = 1 即可。

以下是一個(gè)鍵盤(pán)掃描的例子，這里假設(shè) tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函數(shù)控制口線的輸出掃描，并檢測(cè)輸入轉(zhuǎn)換為鍵碼，利用每個(gè)state 之間 20 ms 的間隔去抖動(dòng)。

                enum EnumKey {

EnumKey_NoKey =  0,

…

    };

                struct StructKey {

                                int                keyValue;

                                bool                keyPressed;

    } ;

struct StructKeyProcess key;

void ProcessKey() { (*states[state])(); }              

                void state0() { }            

                void state1() { key.keyPressed = false; state++; }

                void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if a key pressed

                void state3()

    {                                                               //debouncing state

                                key.keyValue = ScanKey();

                                if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)

                                                state--;

                                else {

                                                key.keyPressed = true;      

                                                state++;

                                }                

    }  

    void state4() {  if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if the key released

                void state5() {  ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; }

上面的鍵盤(pán)處理過(guò)程顯然比通常使用標(biāo)志去抖的程序簡(jiǎn)潔清晰，而且沒(méi)有軟件延時(shí)去抖的困擾。以此類推，各個(gè)任務(wù)都可以劃分成一個(gè)個(gè)的state, 每個(gè)state 實(shí)際上占用不多的處理時(shí)間。某些任務(wù)可以劃分成若干個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)再劃分成若干個(gè)狀態(tài)。

(題外話：對(duì)于常數(shù)類型，建議使用 enum 分類組織，避免使用大量 #define 定義常數(shù))

對(duì)于一些完全不能分割，必須獨(dú)占的任務(wù)來(lái)說(shuō)，比如我以前一個(gè)低成本應(yīng)用中紅外遙控器的軟件解碼任務(wù)，這時(shí)只能犧牲其他的任務(wù)了。兩種做法：一種是關(guān)閉中斷，完全的獨(dú)占;

            void RunTaskN()

    {

                Disable_Interrupt;

                …

                Enable_Interrupt;

    }          

第二種，允許定時(shí)中斷發(fā)生，保證某些時(shí)基 register 得以更新;

                void Timer_Interrupt()

                {

                                SetTimer();

                                Enable_Timer_Interrupt;

                                UpdateTimingRegisters();

                                if (watchDogCounter = 0) {

                                               ResetStack();

                                                for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++)

                                                                (*tasks[i])();

            while (1) IDLE；

        }

        else

                watchDogCounter--;          

    }

只要watchDogCounter 不為 0，那么中斷正常返回到中斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行先前被中斷的任務(wù)，否則，復(fù)位 stack, 重新進(jìn)行任務(wù)循環(huán)。這種狀況下，中斷處理過(guò)程極短，對(duì)獨(dú)占任務(wù)的影響也有限。

中斷驅(qū)動(dòng)多任務(wù)配合狀態(tài)機(jī)的使用，我相信這是mcu 下無(wú)os 系統(tǒng)較好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于絕大多數(shù) mcu 程序設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以極大的減輕程序結(jié)構(gòu)的安排，無(wú)需過(guò)多的考慮各個(gè)任務(wù)之間的時(shí)間安排，而且可以讓程序簡(jiǎn)潔易懂。缺點(diǎn)是，程序員必須花費(fèi)一定的時(shí)間考慮如何切分任務(wù)。

下面是一段用 C 改寫(xiě)的CD Player 中檢測(cè) disc 是否存在的偽代碼，用以展示這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技巧，原源代碼為Z8 mcu 匯編, 基于 Sony 的 DSP, Servo and RF 處理芯片, 通過(guò)送出命令字來(lái)控制主軸/滑板/聚焦/尋跡電機(jī)，并讀取狀態(tài)以及 CD 的sub Q 碼。這個(gè)處理任務(wù)只是一個(gè)大任務(wù)下用state machine切開(kāi)的一個(gè)二級(jí)子任務(wù)，tick = 20 ms。

                state1() { InitializeMotor(); state++; }

                state2() { 

if (innerSwitch != ON) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);

timeout = MILLISECOND(10000)； 

state++;                // 滑板電機(jī)向內(nèi)運(yùn)動(dòng), 直至觸及最內(nèi)開(kāi)關(guān)。

}

else

            state +=                2;

    }              

                state3() {

                                if ((--timeout) == 0) {   //note: some C compliers do not support (--timeout) ==

                                                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                                systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

                                                state = 0;    // 10 s 超時(shí)錯(cuò)誤，

        }

        else {

                if (innerSwitch == ON) {

                                                        SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)

                                timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms電機(jī)停止時(shí)間 

                                state++;

                }

}

    }

                state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }                  //等待電機(jī)完全停止

                state5() { 

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);

timeout = MILLISECOND(2000)； 

state++;

}                // 滑板電機(jī)向外運(yùn)動(dòng),脫離inner switch

                state6() {

                                if ((--timeout) == 0) {    

                                                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                                systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

                                                state = 0;              // 2 s 超時(shí)錯(cuò)誤，

}

else {

                if (innerSwitch == OFF) {

                                                        SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms電機(jī)停止時(shí)間 

                                state++;

                }

}

                }

                state7() { state4(); } 

                state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;}                 //打開(kāi)激光器

                state9() {

SendCommand(FocusUp);

state++; 

timeout = MILLISECOND(2000)；

    }                  //光頭上舉，檢測(cè)聚焦過(guò)零 3 次，判斷cd 是否存在

                state10() {

                                if (FocusCrossZero)  {

                                                systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;   

                                                SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);    //有cd, 打開(kāi)自動(dòng)聚焦。

                                    state = 0;                             //本任務(wù)結(jié)束。

                                    playProcess.state = 1;                //啟動(dòng) play 任務(wù)

                                }

                                else if ((--timeout) == 0) {

                                                SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);                  //光頭聚焦復(fù)位

                                                if ((--retryCounter) == 0) {

                                                                systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;       //無(wú)盤(pán)

                                                                displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;  //顯示閃爍的無(wú)盤(pán)  

                                                                LaserOff();

                                                                state = 0;                //任務(wù)停止

            }

            else

                            state--;                                 //再試               

        }

                }

    stateStop() {

                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);

    SendCommand(EnumCommand_FocusClose); 

    state = 0;

    }