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单片机裸机程序设计架构

news 2025/8/5 9:33:02

文章目录

- - 一、前后台系统（Foreground-Background System）
  - 二、时间片轮询架构（Time-Slicing Polling）
  - 三、状态机架构（State Machine）
  - 四、事件驱动架构（Event-Driven）
  - 五、架构设计原则
  - 总结

单片机裸机程序（无操作系统的单片机程序）的架构设计直接影响程序的
可靠性、可维护性和扩展性。由于单片机资源有限（内存、算力、外设等），裸机架构需遵循“简洁高效、任务可控”的原则，常见架构主要有以下几种：

一、前后台系统（Foreground-Background System）

最基础、最常用的架构，适合任务简单、实时性要求不高的场景。

前台（Foreground）：由中断服务程序（ISR）组成，负责处理紧急事件（如外部触发、定时器溢出、数据接收等），优先级最高，执行时间需尽可能短（避免阻塞其他中断）。
后台（Background）：即主循环（main loop），负责处理非紧急的常规任务（如数据处理、状态刷新、外设控制等），按顺序循环执行。
协作方式：前台通过设置标志位（flag）通知后台处理任务，后台在主循环中轮询标志位，触发对应处理逻辑。

示例流程：

// 全局标志位（前台通知后台的“信号”）
uint8_t uart_rx_flag = 0;  // 串口接收完成标志
uint8_t key_press_flag = 0; // 按键按下标志int main(void) {// 初始化：外设、中断、全局变量等init_uart();init_key();init_led();while(1) {  // 后台主循环if(uart_rx_flag) {uart_rx_flag = 0;process_uart_data();  // 处理串口数据（非紧急）}if(key_press_flag) {key_press_flag = 0;handle_key_event();   // 处理按键事件（非紧急）}update_led_status();      // 周期性刷新LED（常规任务）}
}// 串口接收中断服务程序（前台）
void UART_IRQHandler(void) {if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {uart_rx_buf = USART_ReceiveData(USART1);uart_rx_flag = 1;  // 设置标志位，通知后台处理USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);}
}

优点：结构简单，资源占用少，易于实现。
缺点：后台任务按顺序执行，若某个任务耗时过长，会阻塞后续任务，实时性差。

二、时间片轮询架构（Time-Slicing Polling）

适合多任务周期性执行的场景（如工业控制、传感器采集），通过定时器划分“时间片”，按固定周期轮流执行任务。

核心思想：用定时器（如SysTick）产生固定间隔的中断（如1ms），在中断中更新“系统时基”，并为每个任务分配“时间片”（执行周期）。
任务调度：主循环中轮询所有任务，若任务的“时间片到期”（当前时基达到任务周期），则执行该任务，执行完成后等待下一个周期。
提示：下面代码中有Bug: ------- sys_tick 溢出就不准拉
示例流程：

// 任务结构体：包含周期、上次执行时间、处理函数
typedef struct {uint32_t period;       // 任务周期（ms）uint32_t last_run;     // 上次执行时间（时基）void (*func)(void);    // 任务处理函数
} TaskType;// 系统时基（由定时器中断更新）
uint32_t sys_tick = 0;// 任务列表
TaskType tasks[] = {{10, 0, task_sensor_read},  // 10ms读取一次传感器{100, 0, task_data_report}, // 100ms上报一次数据{500, 0, task_led_flash},   // 500ms闪烁一次LED
};
#define TASK_NUM (sizeof(tasks)/sizeof(TaskType))// 定时器中断（1ms触发一次，更新时基）
void SysTick_Handler(void) {sys_tick++;
}int main(void) {init_sys();SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);  // 配置1ms时基while(1) {for(int i=0; i<TASK_NUM; i++) {// 检查任务是否到执行时间if(sys_tick - tasks[i].last_run >= tasks[i].period) {tasks[i].last_run = sys_tick;  // 更新上次执行时间tasks[i].func();               // 执行任务}}}
}// 任务实现示例
void task_sensor_read(void) {// 读取温湿度传感器...
}

优点：任务执行周期可控，避免单任务阻塞，适合周期性任务。
缺点：任务仍在主循环中执行，若某任务执行时间超过其周期，会影响后续任务；无优先级区分，实时性中等。

三、状态机架构（State Machine）

适合逻辑复杂、状态多变的单任务场景（如设备启停流程、人机交互），将任务分解为“状态”，通过条件判断切换状态，避免嵌套逻辑混乱。

核心思想：将任务划分为多个“状态”（如初始化、运行、暂停、故障），每个状态对应特定的处理逻辑，通过“状态变量”记录当前状态，在主循环中根据输入（事件）切换状态。
分类：
- 单状态机：单个任务的状态管理（如一个传感器的工作流程）；
- 层次状态机（HSM）：复杂任务的状态嵌套（如主状态包含子状态）。

示例流程：

// 定义状态枚举
typedef enum {DEVICE_INIT,    // 初始化状态DEVICE_RUN,     // 运行状态DEVICE_PAUSE,   // 暂停状态DEVICE_ERROR    // 错误状态
} DeviceState;DeviceState current_state = DEVICE_INIT;  // 当前状态
uint8_t error_flag = 0;                   // 错误标志（触发状态切换）int main(void) {while(1) {switch(current_state) {case DEVICE_INIT:if(init_success()) {  // 初始化成功current_state = DEVICE_RUN;start_device();} else {current_state = DEVICE_ERROR;  // 初始化失败}break;case DEVICE_RUN:if(error_flag) {current_state = DEVICE_ERROR;  // 运行中出错error_flag = 0;} else if(key_pause_pressed()) {current_state = DEVICE_PAUSE;  // 暂停按键触发} else {run_task();  // 执行运行状态的逻辑}break;case DEVICE_PAUSE:if(key_resume_pressed()) {current_state = DEVICE_RUN;  // 恢复运行}break;case DEVICE_ERROR:handle_error();  // 错误处理（如报警、重启）break;}}
}

优点：逻辑清晰，避免深层嵌套（if-else/switch-case），易于调试和扩展。
缺点：主要适用于单任务，多任务需结合其他架构（如时间片）。

四、事件驱动架构（Event-Driven）

适合多外部事件响应的场景（如按键、通信、传感器触发），基于“事件”触发任务，而非轮询，提高CPU效率。

核心思想：定义“事件”（如按键按下、数据接收、超时等），每个事件关联对应的“回调函数”；通过中断或轮询检测事件，触发回调执行。
实现方式：用事件队列（FIFO）存储事件，主循环不断从队列中取出事件并分发处理，支持事件优先级。

示例流程：

// 事件类型定义
typedef enum {EVENT_KEY_PRESS,    // 按键事件EVENT_UART_RX,      // 串口接收事件EVENT_TIMEOUT       // 超时事件
} EventType;// 事件结构体
typedef struct {EventType type;     // 事件类型void* data;         // 事件附加数据（如按键值、接收数据）
} Event;// 事件队列（FIFO）
#define EVENT_QUEUE_SIZE 10
Event event_queue[EVENT_QUEUE_SIZE];
uint8_t queue_head = 0, queue_tail = 0;// 入队事件
void event_enqueue(Event event) {uint8_t next_tail = (queue_tail + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE;if(next_tail != queue_head) {  // 队列未满event_queue[queue_tail] = event;queue_tail = next_tail;}
}// 主循环：事件分发
int main(void) {init_periph();  // 初始化外设和中断while(1) {if(queue_head != queue_tail) {  // 队列非空Event event = event_queue[queue_head];queue_head = (queue_head + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE;  // 出队// 分发事件到对应处理函数switch(event.type) {case EVENT_KEY_PRESS:handle_key((uint8_t*)event.data);break;case EVENT_UART_RX:handle_uart((uint8_t*)event.data);break;case EVENT_TIMEOUT:handle_timeout();break;}}}
}// 按键中断：触发事件入队
void KEY_IRQHandler(void) {Event event;event.type = EVENT_KEY_PRESS;event.data = (void*)get_key_value();  // 获取按键值event_enqueue(event);  // 事件入队
}