嵌入式软件开发常用的三种架构你知道吗？

　　摘要  ：对于单片机程序来说，大家都不陌生，但是真正使用架构，考虑架构的恐怕并不多，随着程序开发的不断增多，架构是非常必要的。
　　应用程序的架构大致有三种：
　　1、 简单的前后台顺序执行程序  ，这类写法是大多数人使用的方法，不需用思考程序的具体架构，直接通过执行顺序编写应用程序即可。
　　2、 时间片轮询法  ，此方法是介于顺序执行与操作系统之间的一种方法。
　　3、 操作系统  ，此法应该是应用程序编写的最高境界。 一、程序框架设计
　　1、前后台顺序执行法
　　这是初学者们常用的程序框架设计方案，不用考虑太多东西，代码简单，或者对系统的整体实时性和并发性要求不高；初始化后通过while(1){}   或for(;;)   {}`循环不断调用自己编写完成的函数，也基本不考虑每个函数执行所需要的时间，大部分情况下函数中或多或少都存在毫秒级别的延时等待。优点  ：对于初学者来说，这是最容易也是最直观的程序架构，逻辑简单明了，适用于逻辑简单，复杂度比较低的软件开发。 缺点  ：实时性低，由于每个函数或多或少存在毫秒级别的延时，即使是1ms，也会造成其他函数间隔执行时间的不同，虽然可通过定时器中断的方式，但是前提是中断执行函数花的时间必须短。当程序逻辑复杂度提升时，会导致后来维护人员的大脑混乱，很难理清楚该程序的运行状态。
　　以下是在校期间做的寝室防盗系统的部分代码（当时也存在部分BUG，没有解决。现在再看，其实很多问题，而且比较严重，比如中断服务函数内竟然有3000ms延时，这太可怕了，还有串口发送等等；由于实时性要求不算太高，因此主函数中的毫秒级别延时对系统运行没有多大影响，当然除BUG外；若是后期需要维护，那就是一个大工程，还不如推翻重写 )：int main(void){    u8 temperature;          u8 humidity;     int a;  delay_init();  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);   I2c_init();   uart2_Init(9600);  uart_init(9600);//串口初始化为115200    TIM3_Int_Init(4999,7199);  ds1302_init();  while(DHT11_Init())//DHT11初始化   {   led2=0;  }  a1602_init();     Ds1302Init();  EXTIX_Init();     GPIOX_Init();  lcd12864_INIT();  LcdInit();  beep_init();  RED_Init();  led1=1;  beep=0;  while(1)  {   for(a=0;a<11;a++)   {    num[a+3]=At24c02Read(a+2)-208;    delay_us(10);        }   for(a=0;a<6;a++)   {    shuru[a]=At24c02Read(a+13)-208;    delay_us(10);       }     delay_ms(10);     RED_Scan();   Ds1302ReadTime();  //读取ds1302的日期时间   shi=At24c02Read(0); //读取闹钟保存的数据   delay_ms(10);   fen=At24c02Read(1); //读取闹钟保存的数据      usart2_scan();   //蓝牙数据扫描   usart2_bian();   //蓝牙处理数据   usart2_gai();   nao_scan();   k++;   if(k<20)   {    if(k==1)     LcdWriteCom(0x01);//清屏     LcdDisplay();     //显示日期时间    }   if(RED==0)      RED_Scan();       if(k>=20&&k<30)   {    if(k==20)     LcdWriteCom(0x01); //清屏    Lcddisplay(); //显示温湿度    LcdWriteCom(0x80+6);     DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity); //读取温湿度值    Temp=temperature;Humi=humidity;    LcdWriteData(＂0＂+temperature/10);    LcdWriteData(＂0＂+temperature%10);    LcdWriteCom(0x80+0X40+6);     LcdWriteData(＂0＂+humidity/10);    LcdWriteData(＂0＂+humidity%10);   }   if(k==30)    k=0;   lcd12864(); //显示防盗闹钟状态   }   }   //定时器3中断服务程序 void TIM3_IRQHandler(void)//TIM3中断{  int i;  if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查TIM3更新中断发生与否  {   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);//清除TIMx更新中断标志    if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0)//时间一到闹钟响起   {     f=1;         }   if(key1==0||FEN-fen!=0||SHI-shi!=0)   else   {     f=0;   }     if(USART_RX_BUF[0]==＂R＂&&USART_RX_BUF[1]==＂I＂&&USART_RX_BUF[2]==＂N＂&&USART_RX_BUF[3]==＂G＂)   {    key0=1;    for(i=0;i<17;i++)    {     USART_SendData(USART1, num[i]);//向串口1发送数据     while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束     USART_RX_STA=0;     }     delay_ms(3000);    for(i=0;i<3;i++)    {     USART_SendData(USART1, num1[i]);//向串口1发送数据     while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束     USART_RX_STA=0;     }      }  } }2、时间片论法
　　介于前后台顺序执行法 和操作系统 之间的一种程序架构设计方案。该设计方案需能帮助嵌入式软件开发者更上一层楼，在嵌入式软件开发过程中，若遇到以下几点，那么该设计方案可以说是最优选择，适用于程序较复杂的嵌入式系统；目前的需求设计需要完全没有必要上操作系统。 任务函数无需时刻执行，存在间隔时间(比如按键，一般情况下，都需要软件防抖，初学者的做法通常是延时10ms左右再去判断，但10ms极大浪费了CPU的资源，在这段时间内CPU完全可以处理很多其他事情) 实时性有一定的要求。
　　该设计方案需要使用一个定时器，一般情况下定时1ms即可（定时时间可随意定，但中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差），因此需要考虑到每个任务函数的执行时间，建议不能超过1ms（能通过程序优化缩短执行时间则最好优化，如果不能优化的，则必须保证该任务的执行周期必须远大于任务所执行的耗时时间），同时要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时。＂
　　如何确定每个函数的任务周期呢？根据任务的耗时和效果决定、如按键扫描任务周期为 10ms(为了提高响应)，指示灯控制任务周期为 100ms（通常情况下最高100ms的闪烁频率正好，特殊需求除外)，LCD/OLED 显示周期为 100ms(通过这种通过SPI/IIC等接口的方式耗时大约在 1~10ms，甚至更长，所以任务周期必须远大于耗时，同时为了满足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太长，100ms 的任务周期比较合适)等。
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　　以下介绍两种不同的实现方案，分别针对无函数指针概念的朋友和想进一步学习的朋友。
　　1、无函数指针的设计方式 /**   * @brief      主函数.   * @param      None.   * @return     None.   */  int main(void){     System_Init();          while (1)     {         if (TIM_1msFlag)// 1ms         {             CAN_CommTask(); // CAN发送/接收通信任务                          TIM_1msFlag = 0;         }                 if (TIM_10msFlag)  // 10ms         {             KEY_ScanTask(); // 按键扫描处理任务                          TIM_10msFlag = 0;         }                 if (TIM_20msFlag) // 20ms         {             LOGIC_HandleTask();// 逻辑处理任务               TIM_20msFlag = 0;         }                 if (TIM_100msFlag) // 100ms         {              LED_CtrlTask(); // 指示灯控制任务                          TIM_100msFlag = 0;         }                if (TIM_500msFlag)// 500ms         {             TIM_500msFlag = 0;         }                 if (TIM_1secFlag) // 1s         {             WDog_Task(); // 喂狗任务                         TIM_1secFlag = 0;         }       } }   /**   * @brief      定时器3中断服务函数.   * @param      None.   * @return     None.   */ void TIM3_IRQHandler(void){     if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) //溢出中断     {         sg_1msTic++;                 sg_1msTic % 1 == 0 ? TIM_1msFlag = 1 : 0;                 sg_1msTic % 10 == 0 ? TIM_10msFlag = 1 : 0;                 sg_1msTic % 20 == 0 ? TIM_20msFlag = 1 : 0;                 sg_1msTic % 100 == 0 ? TIM_100msFlag = 1 : 0;                sg_1msTic % 500 == 0 ? TIM_500msFlag = 1 : 0;                sg_1msTic % 1000 == 0 ? (TIM_1secFlag  = 1, sg_1msTic = 0) : 0;     }         TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);  // 清除中断标志位 }
　　2、含函数指针的设计方式 /**   * @brief 任务函数相关信息结构体定义.   */ typedef struct{     uint8 m_runFlag;                 /*!< 程序运行标记：0-不运行，1运行 */     uint16 m_timer;                  /*!< 计时器 */     uint16 m_itvTime;                /*!< 任务运行间隔时间 */     void (*m_pTaskHook)(void);       /*!< 要运行的任务函数 */ } TASK_InfoType;    #define TASKS_MAX     5              // 定义任务数目   /** 任务函数相关信息 */ static TASK_InfoType sg_tTaskInfo[TASKS_MAX] = {     {0, 1, 1, CAN_CommTask},         // CAN通信任务     {0, 10, 10, KEY_ScanTask},       // 按键扫描任务     {0, 20, 20, LOGIC_HandleTask},   // 逻辑处理任务     {0, 100, 100, LED_CtrlTask},     // 指示灯控制任务     {0, 1000, 1000, WDog_Task},      // 喂狗任务 };     /**   * @brief      任务函数运行标志处理.   * @note       该函数由1ms定时器中断调用   * @param      None.   * @return     None.   */ void TASK_Remarks(void){     uint8 i;      for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++)     {         if (sg_tTaskInfo[i].m_timer)         {             sg_tTaskInfo[i].m_timer--;              if (0 == sg_tTaskInfo[i].m_timer)             {                  sg_tTaskInfo[i].m_timer = sg_tTaskInfo[i].m_itvTime;                  sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 1;             }         }    } }   /**   * @brief      任务函数运行处理.   * @note       该函数由主循环调用   * @param      None.   * @return     None.   */ void TASK_Process(void){     uint8 i;      for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++)     {         if (sg_tTaskInfo[i].m_runFlag)         {              sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook();         // 运行任务              sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 0;         // 标志清0         }     }    }   /**   * @brief      主函数.   * @param      None.   * @return     None.   */ int main(void){     System_Init();         while (1)     {         TASK_Process();     } }   /**   * @brief      定时器3中断服务函数.   * @param      None.   * @return     None.   */ void TIM3_IRQHandler(void){     if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET) //溢出中断     {         TASK_Remarks();     }         TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);// 清除中断标志位 }三、操作系统
　　嵌入式操作系统EOS(Embedded OperatingSystem   )是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域，而对于单片机来说，比较常用的有UCOS、FreeRTOS、RT-Thread    Nano和RTX 等多种抢占式操作系统(其他如Linux等操作系统不适用于单片机)
　　操作系统和＂时间片论法   ＂，在任务执行方面来说，操作系统对每个任务的耗时没有过多的要求，需要通过设置每个任务的优先级，在高优先级的任务就绪时，会抢占低优先级的任务；操作系统相对复杂，因此这里没有详细介绍了。
　　关于如何选择合适的操作系统(uCOS   、FreeRTOS   、RTThread   、RTX   等RTOS的对比之特点：uCOS:网上资料丰富，非常适合学习，但是在产品上使用则需要收费。 FreeRTOS：使用免费，因此很多产品都在用。 RT-Thread：国产物联网操作系统，有着十分丰富的组件，也免费，资料：RT-Thread文档中心。 RTX:为ARM和Cortex-M设备设计的免版税，确定性的实时操作系统。
　　借网上一张对比图：
　　四、总结
　　从上述的对比中可以看出，时间片轮询法的优势还是比较大的，它既有前后台顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解，所以这种是比较常用的单片机设计框架。