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单片机裸机编程-时机管理

article 2025/2/25 22:41:36

对于 RTOS 实时操作系统，我们是通过 TASK（任务）进行底层操作的，这与裸机编程中的函数（fun）类似。不同的任务或函数实现不同的功能，在RTOS中，单片机有信号量、队列等不同任务之间的通信机制，但对于裸机编程来说就引出了一个问题：不同任务或函数是如何配合工作的呢？换句话说，单片机是如何知道什么时候该做什么事情，或者为什么做完一件事之后再做另一件事呢？

1、裸机的逻辑轮询

在裸机编程中，任务的执行顺序通常是固定的，由程序的流程控制语句（如 if、while、switch 等）决定。程序从入口点开始，按顺序执行代码，直到遇到分支或循环。当然，也可以通过中断来实现某些功能。

例如，以下代码展示了通过全局变量的状态来控制不同函数的执行逻辑：

void main() {
    while (1) {
        if (sensor_data_ready) {  // 检查传感器数据是否准备好
            process_sensor_data();
        }
        if (button_pressed) {     // 检查按钮是否被按下
            handle_button_press();
        }
        update_display();         // 更新显示
    }
}

在这个例子中，程序通过全局变量（sensor_data_ready 和 button_pressed）来判断是否执行某个函数。

也就是说，在不同的执行函数之间的通信使用的是全局变量，或者说是标志位。我们通过if，switch这样的逻辑语句让单片机知道在什么情况下该做什么事，所以只需要一直轮询下去即可。

这种方式简单直接，但存在以下问题：

耦合性高：全局变量的使用使得代码之间的耦合性增加，难以维护和扩展。
灵活性差：任务的执行顺序固定，难以动态调整。

2、使用状态机进行任务管理

为了改善上述问题，我们可以引入 状态机 的概念，对不同的任务进行局部管理。状态机通过定义不同的状态和状态之间的转换条件，使得代码更加模块化和灵活。例如：

typedef enum {
    STATE_IDLE,
    STATE_PROCESS_SENSOR,
    STATE_HANDLE_BUTTON,
    STATE_UPDATE_DISPLAY
} StateTypeDef;

StateTypeDef currentState = STATE_IDLE;

void main() {
    while (1) {
        switch (currentState) {
            case STATE_IDLE:
                if (sensor_data_ready) {
                    currentState = STATE_PROCESS_SENSOR;
                } else if (button_pressed) {
                    currentState = STATE_HANDLE_BUTTON;
                }
                break;

            case STATE_PROCESS_SENSOR:
                process_sensor_data();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;

            case STATE_HANDLE_BUTTON:
                handle_button_press();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;

            case STATE_UPDATE_DISPLAY:
                update_display();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;
        }
    }
}

通过状态机，我们可以清晰地定义每个任务的执行条件和状态转换逻辑，从而提高代码的可读性和可维护性。

3、在裸机中实现时间片轮询

进一步思考，我们可以在裸机编程中借鉴 RTOS 的时间片轮询机制。虽然裸机没有 RTOS 内核的支持，但可以通过定时器中断来实现类似的效果。例如：

设置定时器中断：配置定时器以固定频率（如 10ms）触发中断。
维护任务状态：在定时器中断中维护一个任务状态数组，记录每个任务的执行状态和剩余时间片。
轮询任务执行：在主循环中，根据任务状态数组依次执行每个任务的一部分。

示例代码如下：

#define TASK_COUNT 3
#define TIME_QUANTUM 10  // 时间片大小，单位为毫秒

typedef struct {
    void (*taskFunc)(void);  // 任务函数指针
    int remainingTime;       // 剩余时间片
} TaskTypeDef;

TaskTypeDef tasks[TASK_COUNT] = {
    {process_sensor_data, TIME_QUANTUM},
    {handle_button_press, TIME_QUANTUM},
    {update_display, TIME_QUANTUM}
};

void Timer_ISR(void) {
    static int tick = 0;
    tick++;
}

void main() {
    int currentTask = 0;

    while (1) {
        if (tasks[currentTask].remainingTime > 0) {
            tasks[currentTask].taskFunc();  // 执行当前任务
            tasks[currentTask].remainingTime--;
        }

        currentTask = (currentTask + 1) % TASK_COUNT;  // 轮询下一个任务
    }
}

通过这种方式，我们可以在裸机中实现类似 RTOS 的时间片轮询机制，使得任务的执行更加公平和灵活。

个人喜欢使用状态机进行裸机编程，这样直接是多个代码块直接的裸机判断。也就相当于是有多个while(1)循环，方便代码的管理和调试。在不同的state模式下执行不同的小模块代码。

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