在接觸過多種MCU,接觸過復雜設(shè)計要求，跑過操作系統(tǒng)等等后，我們在回到單片機的裸機開發(fā)時，就不知不覺的就會考慮到整個程序設(shè)計的架構(gòu)問題；一個好的程序架構(gòu)，是一個有經(jīng)驗的工程師和一個初學者的分水嶺。

以下是我對單片機程序框架以及開發(fā)中一些常用部分的認識總結(jié)：任何對時間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時候我們只有增加硬件成本來消滅它；比如你要8個數(shù)碼管來顯示，我們在沒有相關(guān)的硬件支持的時候必須用MCU以動態(tài)掃描的方式來使其工作良好；而動態(tài)掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。

在MCU負擔很重的場合，我會選擇選用一個類似max8279外圍ic來解決這個困擾；

然而慶幸的是，有著許多不是對時間要求苛刻的事情：例如鍵盤的掃描，人們敲擊鍵盤的速率是有限的，我們無需實時掃描著鍵盤，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下；然而這個幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情；單片機雖然是裸機奔跑，但是往往現(xiàn)實的需要決定了我們必須跑出操作系統(tǒng)的姿態(tài)——多任務(wù)程序；

比如一個常用的情況有4個任務(wù)：

1 鍵盤掃描；2 led數(shù)碼管顯示；3 串口數(shù)據(jù)需要接受和處理;4 串口需要發(fā)送數(shù)據(jù)；

如何來構(gòu)架這個單片機的程序?qū)⑹俏覀兊闹攸c；讀書時代的我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在主循環(huán)中，而串口接收數(shù)據(jù)用中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中組成相應(yīng)的幀格式后置位相應(yīng)的標志位，在主函數(shù)的循環(huán)中進行數(shù)據(jù)的處理，串口發(fā)送數(shù)據(jù)以及led的顯示也放在主循環(huán)中；這樣整個程序就以標志變量的通信方式，相互配合的在主循環(huán)和后臺中斷中執(zhí)行；

然而必須指出其不妥之處：每個任務(wù)的時間片可能過長，這將導致程序的實時性能差。如果以這樣的方式在多加幾個任務(wù)，使得一個循環(huán)的時間過長，可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個任務(wù)中費時間的部分以及把每個任務(wù)再次分解；下面來細談每個任務(wù)的具體措施：

1 鍵盤掃描

鍵盤掃描是單片機的常用函數(shù)，以下指出常用的鍵盤掃描程序中，嚴重阻礙系統(tǒng)實時性能的地方；眾所周知，一個鍵按下之后的波形是這樣的（假定低有效）：在有鍵按下后，數(shù)據(jù)線上的信號出現(xiàn)一段時間的抖動，然后為低，然后當按鍵釋放時，信號抖動一段時間后變高。當然，在數(shù)據(jù)線為低或者為高的過程中，都有可能出現(xiàn)一些很窄的干擾信號。

unsigned char kbscan(void){unsigned char sccode,recode;P2=0xf8; if ((P2&0xf8)!=0xf8) { delay(100); //延時20ms去抖--------這里太費時了，很糟糕 if((P2&0xf8)!=0xf8) { sccode=0xfe; while((sccode&0x08)!=0) { P2=sccode; if ((P2&0xf8)!=0xf8) break; sccode=(sccode<<1)|0x01;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?}??? ?? ?? ?? ???recode=(P2&0xf8)|0x0f;?? ?? ?? ?? ???return(sccode&recode);?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? }? ?? ?}? ? return (KEY_NONE);}

鍵盤掃描是需要軟件去抖的，這沒有爭議，然而該函數(shù)中用軟件延時來去抖（ms級別的延時），這是一個維持系統(tǒng)實時性能的一個大忌諱；

一般還有一個判斷按鍵釋放的代碼：

While( kbscan() != KEY_NONE); //死循環(huán)等待

這樣很糟糕，如果把鍵盤按下一直不放，這將導致整個系統(tǒng)其它的任務(wù)也不能執(zhí)行，這將是個很嚴重的bug。

有人會這樣進行處理：

While(kbsan() != KEY_NONE ){ Delay(10); If(Num++ > 10) Break;}

即在一定得時間內(nèi)，如果鍵盤一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導致整個系統(tǒng)其它任務(wù)不能運行，但也很大程度上，削弱了系統(tǒng)的實時性能，因為他用了延時函數(shù)；我們用兩種有效的方法來解決此問題：1 在按鍵功能比較簡單的情況下，我們?nèi)匀挥蒙厦娴膋bscan()函數(shù)進行掃描，只是把其中去抖用的軟件延時去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個函數(shù)來處理，它不用軟件延時，而是用定時器的計時（用一般的計時也行）來完成；代碼如下

void ClearKeyFlag(void){ KeyDebounceFlg= 0; KeyReleaseFlg = 0;}void ScanKey(void){

++KeyDebounceCnt;//去抖計時（這個計時也可以放在后臺定時器計時函數(shù)中處理）

KeyCode = kbscan(); if (KeyCode != KEY_NONE) { if (KeyDebounceFlg)//進入去抖狀態(tài)的標志位 { if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖規(guī)定的時間 { if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值

{ KeyDebounceFlg= 0; KeyReleaseFlg = 1;//釋放標志 return; //Here exit with keycode } ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖動而已 } }else{ if (KeyReleaseFlg == 0) { KeyOldCode = KeyCode; KeyDebounceFlg= 1; KeyDebounceCnt= 0; }else{ if (KeyCode != KeyOldCode) ClearKeyFlag(); } } }else{ ClearKeyFlag();//沒有按鍵則清零標志 } KeyCode = KEY_NONE;}

在按鍵情況較復雜的情況，如有長按鍵，組合鍵，連鍵等一些復雜功能的按鍵時候，我們跟傾向于用狀態(tài)機來實現(xiàn)鍵盤的掃描；

//avr 單片機 中4*3掃描狀態(tài)機實現(xiàn)char read_keyboard_FUN2(){ static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time; char key_return = No_key,i; switch (key_state) { case 0: //最初的狀態(tài)，進行3*4的鍵盤掃描 key_line = 0b00001000; for (i=1; i<=4; i++) // 掃描鍵盤?? ?? ???{?? ?? ?? ?? ?PORTD = ~key_line; // 輸出行線電平?? ?? ?? ?? ?PORTD = ~key_line; // 必須送2次！！?。ㄗ?）?? ?? ?? ?? ?key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平?? ?? ?? ?? ? if (key_value == Key_mask)?? ?? ?? ?? ?? ???key_line <<= 1; // 沒有按鍵，繼續(xù)掃描?? ?? ?? ?? ?else?? ?? ?? ?? ? {?? ?? ?? ?? ?? ? key_state++; // 有按鍵，停止掃描?? ?? ?? ?? ?? ???break; // 轉(zhuǎn)消抖確認狀態(tài)?? ?? ?? ?? ? }?? ?? ???}?? ? break;?? ?case 1: //此狀態(tài)來判斷按鍵是不是抖動引起的? ?? ???if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平，?? ?? ???{? ?? ?? ?? ?key_state++; // 轉(zhuǎn)入等待按鍵釋放狀態(tài)?? ?? ?? ?? ?key_time=0;? ?? ???}?? ?? ???else?? ?? ?? ?? ?key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態(tài)0，（消抖處理）?? ? break;?? ? case 2: // 等待按鍵釋放狀態(tài)?? ?? ???PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平?? ?? ???PORTD = 0b00000111; // 重復送一次?? ?? ???if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)?? ?? ???{? ?? ?? ?? ?key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0?? ?? ?? ?? ?key_return=??(key_line | key_value);//獲得了鍵值? ?? ???}? ?? ???else if(++key_time>=100)//如果長時間沒有釋放 { key_time=0; key_state=3;//進入連鍵狀態(tài) key_return= (key_line | key_value); } break; case 3://對于連鍵，每隔50ms就得到一次鍵值，windows xp 系統(tǒng)就是這樣做的 PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平 PORTD = 0b00000111; // 重復送一次 if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask) key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0 else if(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵 { key_time=0; key_return= (key_line | key_value); } break; } return key_return;}

以上用了4個狀態(tài)，一般的鍵盤掃描只用前面3個狀態(tài)就可以了，后面一個狀態(tài)是為增加“連鍵”功能設(shè)計的。連鍵——即如果按下某個鍵不放，則迅速的多次響應(yīng)該鍵值，直到其釋放。在主循環(huán)中每隔10ms讓該鍵盤掃描函數(shù)執(zhí)行一次即可；我們定其時限為10ms,當然要求并不嚴格。

2.數(shù)碼管的顯示

一般情況下我們用的八位一體的數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描的方法來完成顯示；非常慶幸人眼在高于50hz以上的閃爍時發(fā)現(xiàn)不了的。所以我們在動態(tài)掃描數(shù)碼管的間隔時間是充裕的。這里我們定其時限為4ms(250HZ) ，用定時器定時為2ms,在定時中斷程序中進行掃描的顯示，每次只顯示其中的一位；當然時限也可以弄長一些，更推薦的方法是把顯示函數(shù)放入主循環(huán)中，而定時中斷中置位相應(yīng)的標志位即可；

// Timer 0 比較匹配中斷服務(wù),4ms定時

interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)

{

display(); // 調(diào)用LED掃描顯示

……………………

}

void display(void) // 8位LED數(shù)碼管動態(tài)掃描函數(shù)

{

PORTC = 0xff; // 這里把段選都關(guān)閉是很必要的，否則數(shù)碼管會產(chǎn)生拖影

PORTA = led_7[dis_buff[posit]];

PORTC = position[posit];

if (++posit >=8 )

posit = 0;

}

3 串口接收數(shù)據(jù)幀

串口接收時用中斷方式的，這無可厚非。但如果你試圖在中斷服務(wù)程序中完成一幀數(shù)據(jù)的接收就麻煩大了。永遠記住，中斷服務(wù)函數(shù)越短越好，否則影響這個程序的實時性能。一個數(shù)據(jù)幀一般包括若干個字節(jié)，我們需要判斷一幀是否完成，校驗是否正確。在這個過程中我們不能用軟件延時，更不能用死循環(huán)等待等方式；所以我們在串口接收中斷函數(shù)中，只是把數(shù)據(jù)放置于一個緩沖隊列中。

至于組成幀，以及檢查幀的工作我們在主循環(huán)中解決，并且每次循環(huán)中我們只處理一個數(shù)據(jù)，每個字節(jié)數(shù)據(jù)的處理間隔的彈性比較大，因為我們已經(jīng)緩存在了隊列里面。

/*==========================================功能：串口發(fā)送接收的時間事件說明：放在大循環(huán)中每10ms一次輸出：none輸入：none==========================================*/void UARTimeEvent(void){ if (TxTimer != 0)//發(fā)送需要等待的時間遞減 --TxTimer; if (++RxTimer > RX_FRAME_RESET)// RxCnt = 0;//如果接受超時（即不完整的幀或者接收一幀完成），把接收的不完整幀覆蓋}/*==========================================功能：串口接收中斷說明：接收一個數(shù)據(jù)，存入緩存輸出：none輸入：none==========================================*/interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void){ INT8U status,data; status= UCSRA; data = UDR; if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0){ RxBuf[RxBufWrIdx] = data; if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收數(shù)據(jù)于緩沖中 RxBufWrIdx= 0； if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){ RxBufCnt = 0; //RxBufferOvf=1; } }}/*==========================================功能：串口接收數(shù)據(jù)幀說明：當非0輸出時，收到一幀數(shù)據(jù) 放在大循環(huán)中執(zhí)行輸出：==0:沒有數(shù)據(jù)幀 !=0:數(shù)據(jù)幀命令字輸入：none==========================================*/INT8U ChkRxFrame(void){ INT8U dat; INT8U cnt; INT8U sum; INT8U ret; ret = RX_NULL; if (RxBufCnt != 0){ RxTimer = 0; //清接收計數(shù)時間，UARTimeEvent()中對于接收超時做了放棄整幀數(shù)據(jù)的處理 //Display(); cnt = RxCnt; dat = RxBuf[RxBufRdIdx]; // Get Char if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE) RxBufRdIdx = 0; Cli(); --RxBufCnt; Sei(); FrameBuf[cnt++] = dat; if (cnt >= FRAME_LEN)// 組成一幀 { sum = 0; for (cnt = 0;cnt < (FRAME_LEN - 1);cnt++)? ?? ?? ?? ?? ? sum+= FrameBuf[cnt];? ?? ?? ?? ?if (sum == dat)? ?? ?? ?? ?? ? ret = FrameBuf[0];? ?? ?? ?? ?cnt = 0;? ?? ???}? ?? ???RxCnt = cnt;? ? }? ? return ret;}

以上的代碼ChkRxFrame()可以放于串口接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)RxProcess() 中，然后放入主循環(huán)中執(zhí)行即可。以上用一個計時變量RxTimer，很微妙的解決了接收幀超時的放棄幀處理，它沒有用任何等待，而且主循環(huán)中每次只是接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)，時間很短。我們開始架構(gòu)整個系統(tǒng)的框架：我們選用一個系統(tǒng)不常用的TIMER來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的系統(tǒng)基準節(jié)拍，這里我們選用4ms；在meg8中我們代碼如下：

// Timer 0 overflow interrupt service routineinterrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void){ // Reinitialize Timer 0 value TCNT0=0x83; // Place your code here if ((++Time1ms & 0x03) == 0) TimeIntFlg = 1;}

然后我們設(shè)計一個TimeEvent()函數(shù)，來調(diào)用一些在以指定的頻率需要循環(huán)調(diào)用的函數(shù)，比如每個4ms我們就進行喂狗以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，每隔1s我們就調(diào)用led閃爍程序，每隔20ms我們進行鍵盤掃描程序；

void TimeEvent (void){ if (TimeIntFlg){ TimeIntFlg = 0; ClearWatchDog(); display(); // 在4ms事件中，調(diào)用LED掃描顯示，以及喂狗 if (++Time4ms > 5){ Time4ms = 0; TimeEvent20ms()；//在20ms事件中，我們處理鍵盤掃描read_keyboard_FUN2() if (++Time100ms > 10){ Time100ms = 0; TimeEvent1Hz();// 在1s事件中，我們使工作指示燈閃爍 } } UARTimeEvent();//串口的數(shù)據(jù)接收事件，在4ms事件中處理 }}

顯然整個思路已經(jīng)很清晰了，cpu需要處理的循環(huán)事件都可以根據(jù)其對于時間的要求很方便的加入該函數(shù)中。但是我們對這事件有要求：

執(zhí)行速度快，簡短，不能有太長的延時等待，其所有事件一次執(zhí)行時間和必須小于系統(tǒng)的基準時間片4ms（根據(jù)需要可以加大系統(tǒng)基準節(jié)拍）。所以我們的鍵盤掃描程序，數(shù)碼管顯示程序，串口接收程序都如我先前所示。如果逼不得已需要用到較長的延時（如模擬IIc時序中用到的延時）

我們設(shè)計了這樣的延時函數(shù)：

void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時函數(shù)的單位為4ms(系統(tǒng)基準節(jié)拍){ while (delay){ if (TimeIntFlg){ --delay; TimeEvent(); } TxProcess(); RxProcess(); }}

我們需要延時的時間=delay*系統(tǒng)記住節(jié)拍4ms,此函數(shù)就確保了在延時的同時，我們其它事件（鍵盤掃描，led顯示等）也并沒有被耽誤；好了這樣我們的主函數(shù)main()將很簡短：V

oid main (voie){Init_all();while (1) { TimeEvent(); //對于循環(huán)事件的處理 RxProcess();//串口對接收的數(shù)據(jù)處理 TxProcess();// 串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理}}

整體看來我們的系統(tǒng)就成了將近一個萬能的模版了，根據(jù)自己所選的cpu,選個定時器，在添加自己的事件函數(shù)即可，非常靈活方便實用，一般的單片機能勝任的場合，該模版都能搞定。

整個系統(tǒng)以全局標志作為主線，形散神不散；系統(tǒng)耗費比較小，只是犧牲了一個Timer而已，在資源缺乏的單片機中，非常適；曾經(jīng)看過一個網(wǎng)友的模版“單片機實用系統(tǒng)”，其以51為例子寫的，整體思路和這個差不多，不過他寫得更為規(guī)范緊湊，非常欣賞；但個人覺得代碼開銷量要大些，用慣了都一樣哦。但是由于本系統(tǒng)以全局標志為驅(qū)動事件，所以比較感覺比較凌亂，全局最好都做好注釋，而其要注意一些隱形的函數(shù)遞歸情況，千萬不要遞歸的太深哦（有的單片機不支持）。