有效使用单片机外设功能:(5)程序设计(下)

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上期我们已经学习了将程序放在地址空间中,并在向量表中显示保存位置的内容。本期将介绍在执行程序及产生中断时CPU内会发生什么变化。

引导程序的运行―程序计数器

一般来说,程序就是计算机将所要进行的处理按顺序排列的指令集。在单片机中,将程序保存在地址空间(存储器 空间)中(上期曾介绍过),并由CPU来执行(处理)指令。假设地址空间中的一个地址保存一条指令,先执行某个地址中的指令(如“将值置位到CPU中”处理),接着执行下一个地址中的指令,接下来再执行下一个地址中的指令……,像这样通过连续执行指令,便可执行程序。

那么,CPU是如何判断执行指令的顺序呢?在单片机中,程序被执行的时候“程序计数器(PC)”的值也同时被更新。存放在CPU内的指令地址中,程序计数器存储有下一条CPU将要执行的指令所在的地址。执行了某个地址的指令后,下一个该执行哪个地址中的指令呢?这个答案由程序计数器来告诉你。

一般来说,程序被保存在连续的地址中, 再由CPU按顺序执行存放在各个地址中的指令。图1为程序计数器的示意图。图中,假定(1)执行地址1000h中的指令,(2)执行地址1000h中的指令后,程序计数器的値自动增加一个量并显示出下一个地址1001h,接下来,(3)CPU执行地址1001h中的指令。

有效使用单片机外设功能:(5)程序设计(上)

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我们在之前的四期中对利用单片机的功能进行程序设计进行了说明。单片机内置了非常便于使用的外设功能,大家一定也能感受到单片机可应对各种要求的能力。但是,如果要有效地运行单片机,程序是不可或缺的,那么程序到底是如何运行的呢?从本期开始,我们将分两期连续向大家介绍单片机与程序的关系。

关注单片机的存储器

在此之前,GR-SAKURA电路板(搭载瑞萨电子单片机“RX63N”)的程序设计是使用Web编译器来进行的。将通过编译器搭建的程序(Object Code,结果代码)如同写入U盘一样将之传送到GR-SAKURA电路板后再执行。那么,问题来了。写入(传送到)单片机的程序应该保存在哪儿呢?另外,程序又是如何被执行的呢?在解答这些问题的同时,让我们一起来了解一下单片机与程序的关系吧。

首先来了解存储器﹑主存储器和外置存储器的两种作用

记忆(保存)程序和数据的地方即存储器。存储器有以下两种类型。

主存储器

CPU能够直接进行存取的存储器,用于保存正在执行中的程序和数据

外置存储器(辅助存储器、二级缓存器)

在单片机中,有多个任务需要进行,如何处理才能保证单片机的工作效率以及每个任务完成的及时性?本文跟大家分享几个方法:

1、顺序执行法:

这种方法,这应用程序比较简单,实时性,并行性要求不太高的情况下是不错的方法,程序设计简单,思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候,如果没有一个完整的流程图,恐怕别人很难看懂程序的运行状态,而且随着程序功能的增加,编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护,也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序,刚开始就是使用此法,最终虽然能够实现功能,但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。

这种方法大多数人都会采用,而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构,程序架构的单片机工程师来说,无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高,也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

本人建议,如果喜欢使用此法的网友,如果编写比较复杂的应用程序,一定要先理清头脑,设计好完整的流程图再编写程序,否则后果很严重。当然应该程序本身很简单,此法还是一个非常必须的选择。

下面就写一个顺序执行的程序模型,方面和下面两种方法对比:

/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
uint8 keyValue;

InitSys(); // 初始化

while (1)
{
TaskDisplayClock();
keyValue = TaskKeySan();
switch (keyValue)
{
case x: TaskDispStatus(); break;
...
default: break;
}
}
}

2、时间片轮询法

时间片轮询法,在很多书籍中有提到,而且有很多时候都是与操作系统一起出现,也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下,而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。

对于时间片轮询法,虽然有不少书籍都有介绍,但大多说得并不系统,只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式,并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法,我想将给初学者有一定的借鉴性。

记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》,由于时间的问题,并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。。。

使用1个定时器,可以是任意的定时器,这里不做特殊说明,下面假设有3个任务,那么我们应该做如下工作:

(1) 初始化定时器,这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms,这个和操作系统一样,中断过于频繁效率就低,中断太长,实时性差)。

(2)定义一个数值:

#define TASK_NUM (3) // 这里定义的任务数为3,表示有三个任务会使用此定时器定时。

uint16 TaskCount[TASK_NUM] ; // 这里为三个任务定义三个变量来存放定时值
uint8 TaskMark[TASK_NUM]; // 同样对应三个标志位,为0表示时间没到,为1表示定时时间到。

(3)在定时器中断服务函数中添加:

[html] view plain copy 在CODE上查看代码片派生到我的代码片
/**************************************************************************************
* FunctionName : TimerInterrupt()
* Description : 定时中断服务函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TimerInterrupt(void)
{
uint8 i;

for (i=0; i {
if (TaskCount[i])
{
TaskCount[i]--;
if (TaskCount[i] == 0)
{
TaskMark[i] = 0x01;
}
}
}
}

代码解释:定时中断服务函数,在中断中逐个判断,如果定时值为0了,表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时,不着处理。否则定时器减一,知道为零时,相应标志位值1,表示此任务的定时值到了。

(4)在我们的应用程序中,在需要的应用定时的地方添加如下代码,下面就以任务1为例:

TaskCount[0] = 20; // 延时20ms
TaskMark[0] = 0x00; // 启动此任务的定时器

到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同,至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试,效果不错哦。。。。。。。。。。。

通过上面对1个定时器的复用我们可以看出,在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位,同时也可以去执行其他函数。

循环判断标志位:

那么我们可以想想,如果循环判断标志位,是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢?一个大循环,只是这个延时比普通的for循环精确一些,可以实现精确延时。

执行其他函数:

那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数,充分利用CPU时间,是不是和操作系统有些类似了呢?但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。

时间片轮询法的架构:

1、设计一个结构体:

// 任务结构
typedef struct _TASK_COMPONENTS
{
uint8 Run; // 程序运行标记:0-不运行,1运行
uint8 Timer; // 计时器
uint8 ItvTime; // 任务运行间隔时间
void (*TaskHook)(void); // 要运行的任务函数
} TASK_COMPONENTS; // 任务定义

这个结构体的设计非常重要,一个用4个参数,注释说的非常详细,这里不在描述。

2、任务运行标志出来,此函数就相当于中断服务函数,需要在定时器的中断服务函数中调用此函数,这里独立出来,并于移植和理解。

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskRemarks()
* Description : 任务标志处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskRemarks(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i {
if (TaskComps[i].Timer) // 时间不为0
{
TaskComps[i].Timer--; // 减去一个节拍
if (TaskComps[i].Timer == 0) // 时间减完了
{
TaskComps[i].Timer = TaskComps[i].ItvTime; // 恢复计时器值,从新下一次
TaskComps[i].Run = 1; // 任务可以运行
}
}
}
}

大家认真对比一下次函数,和上面定时复用的函数是不是一样的呢?

3、任务处理

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskProcess()
* Description : 任务处理
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskProcess(void)
{
uint8 i;
for (i=0; i {
if (TaskComps[i].Run) // 时间不为0
{
TaskComps[i].TaskHook(); // 运行任务
TaskComps[i].Run = 0; // 标志清0
}
}
}

此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了,实现任务的管理操作,应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了,并不需要去分别调用和处理任务函数。

到此,一个时间片轮询应用程序的架构就建好了,大家看看是不是非常简单呢?此架构只需要两个函数,一个结构体,为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。

下面我就就说说怎样应用吧,假设我们有三个任务:时钟显示,按键扫描,和工作状态显示。

1、定义一个上面定义的那种结构体变量

/**************************************************************************************
* Variable definition
**************************************************************************************/
static TASK_COMPONENTS TaskComps[] =
{
{0, 60, 60, TaskDisplayClock}, // 显示时钟
{0, 20, 20, TaskKeySan}, // 按键扫描
{0, 30, 30, TaskDispStatus}, // 显示工作状态
// 这里添加你的任务。。。。
};

在定义变量时,我们已经初始化了值,这些值的初始化,非常重要,跟具体的执行时间优先级等都有关系,这个需要自己掌握。

①大概意思是,我们有三个任务,没1s执行以下时钟显示,因为我们的时钟最小单位是1s,所以在秒变化后才显示一次就够了。

②由于按键在按下时会参数抖动,而我们知道一般按键的抖动大概是20ms,那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms,而这里我们每20ms扫描一次,是非常不错的出来,即达到了消抖的目的,也不会漏掉按键输入。

③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面,我们这里设计每30ms显示一次,如果你觉得反应慢了,你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名,你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。

2、任务列表

// 任务清单
typedef enum _TASK_LIST
{
TAST_DISP_CLOCK, // 显示时钟
TAST_KEY_SAN, // 按键扫描
TASK_DISP_WS, // 工作状态显示
// 这里添加你的任务。。。。
TASKS_MAX // 总的可供分配的定时任务数目
} TASK_LIST;

好好看看,我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值,其他值是没有具体的意义的,只是为了清晰的表面任务的关系而已。

3、编写任务函数

/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDisplayClock()
* Description : 显示任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDisplayClock(void)
{

}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskKeySan()
* Description : 扫描任务
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskKeySan(void)
{

}
/**************************************************************************************
* FunctionName : TaskDispStatus()
* Description : 工作状态显示
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
void TaskDispStatus(void)
{

}

// 这里添加其他任务。。。。。。。。。

现在你就可以根据自己的需要编写任务了。

4、主函数

/**************************************************************************************
* FunctionName : main()
* Description : 主函数
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
**************************************************************************************/
int main(void)
{
InitSys(); // 初始化
while (1)
{
TaskProcess(); // 任务处理
}
}

到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了,你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊,有没有点操作系统的感觉在里面?

不防试试把,看看任务之间是不是相互并不干扰?并行运行呢?当然重要的是,还需要,注意任务之间进行数据传递时,需要采用全局变量,除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间,在编写任务时,尽量让任务尽快执行完成。。。。。。。。。

来源:网络(版权归原著作者所有)

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