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嵌入式单线程编程模型的整理

news 2025/9/26 9:18:36

一、核心分类与定义

嵌入式单线程编程模型基于驱动方式分为轮询驱动、事件驱动及混合驱动，适用于裸机系统或操作系统中的单线程环境，核心区别在于上层与下层的交互方式（主动询问 / 被动通知）。

二、轮询驱动（Polling-driven）

核心逻辑：上层主动询问下层（硬件 / 组件）状态（同步调用，call 模式），需周期性检查状态。
分类及特点：
1. 繁忙等待轮询
  - 最简单实现：发起请求后，通过while循环持续检查状态直至完成。
  - 缺点：CPU 空转，时钟与电量浪费严重，无并发能力。
```
low_level_request();
while(!low_level_is_done()); // 持续阻塞直至完成
```
2. 休眠轮询
  - 对繁忙等待的优化：轮询间隙休眠（如利用硬件低功耗模式），降低功耗。
  - 特点：保持简单性，仍为单任务阻塞模式，无并发。
```
low_level_request();
while(!low_level_is_done()) {sleep_for_moment(); // 休眠减少空转
}
```
3. 并发轮询
  - 多外设并行处理：通过状态机管理多个独立任务，主循环依次轮询各任务状态，完成后触发后续操作。
  - 特点：支持并发，提高效率，但需维护状态机，复杂度略高。
```
a_request(); b_request(); c_request(); // 同时发起多请求
while(1) {if(a_done()) a_next(); // 轮询A并处理if(b_done()) b_next(); // 轮询B并处理if(c_done()) c_next(); // 轮询C并处理
}
```
4. 休眠并发轮询
  - 并发轮询的优化：所有任务轮询后休眠，进一步降低功耗。
  - 特点：兼顾并发与低功耗，需硬件支持唤醒机制（如 Cortex-M 的 SEVONPEND）。

三、事件驱动（Event-driven）

核心逻辑：下层完成操作后主动通知上层（异步回调，callback 模式），无需轮询，依赖中断或状态触发。
分类及特点：
1. 基于事件调度器的回调
  - 引入事件队列：中断服务例程（ISR）将回调函数压入队列，主循环从队列中取出并执行回调。
  - 特点：解耦硬件中断与业务逻辑，支持多事件并发，复杂度最高。
```
void a_isr() { event_queue_push(a_callback); } // ISR压入回调
int main() {a_request(a_callback); // 注册回调while(1) {if(queue_not_empty()) {cb = queue_pop(); cb(); // 执行回调}}
}
```
2. 各管各的回调
  - 无事件队列：组件完成操作后直接调用注册的回调函数（如 lwIP）。
  - 特点：无需依赖调度器，实现简单，适用于轻量场景。
```
int main() {a_request(a_callback); // 注册回调while(1) {a_process(); // 处理请求，完成后直接调用a_callback}
}
```
3. 混合回调
  - 部分组件用事件调度器，部分直接回调，灵活适配不同场景。

四、混合驱动（Polling + Event）

核心逻辑：结合轮询与事件驱动的优势，不同组件或层次采用不同模型（如底层轮询、上层事件）。
示例：某系统中，外设 A 用直接回调，外设 B 用事件队列，外设 C 用并发轮询。

int main() {a_request(a_callback); b_request(b_callback); c_request();while(1) {a_process(); // A直接回调if(queue_not_empty()) { cb = queue_pop(); cb(); } // B事件调度if(c_done()) c_next(); // C并发轮询}
}

五、关键对比与总结

模型	难易度	空闲休眠	并发能力	能效比	同步 / 异步
繁忙等待轮询	最简单	否	无	最低	同步阻塞
休眠轮询	较简单	是	无	较低	同步阻塞
并发轮询	较复杂	否	有	较低	同步非阻塞
休眠并发轮询	较复杂	是	有	较高	同步非阻塞
事件调度器回调	最复杂	是	有	高	异步
各管各的回调	较复杂	是	有	高	异步