单片机开发中裸机系统有哪些（轮询、时间片、前后台.....）

单片机开发中常听说 裸机系统、前后系统、轮询系统、时间片轮询系统......。到底是啥？接下来对其发表个人理解和总结。

概念与总结

裸机系统：是对无操作系统（RTOS、Linux...）等一类系统架构应用程序的统称。主要两类实现机制和设计思想。

实现机制：解决 “任务如何触发/调度”，底层运行逻辑
设计思想：解决 “任务逻辑如何组织”，上层方法论

维度	核心概念	子概念 / 组成	定义	优点	缺点	典型应用场景
实现机制	轮询机制	基础轮询系统	主循环（while(1)）中顺序地查询每个任务的就绪条件，条件满足则执行。	简单、省资源	实时差、任务多延迟大	简单电路控制（如 LED 闪烁、单一传感器周期性读取）、无紧急响应需求的场景。
		时间片轮询系统	基于基础轮询，通过定时器中断划分 “时间片”，主循环按时间片轮流执行不同周期性任务。	支持多周期、实现简	实时受限、超时易出问题	多周期性任务调度（如温湿度采集 + 屏幕刷新，周期固定且无严格优先级）。
	中断驱动机制	基础中断触发系统	任务依赖硬件 / 软件中断信号触发，中断为任务调度核心。	实时极强	ISR 忌复杂、易冲突	需要快速响应外部事件的场景（如按键触发、异常报警）。
		前后台系统（裸机主流架构）	前台：中断服务程序（ISR），处理紧急任务（快进快出）； 后台：主循环（while(1)），以轮询方式处理非紧急、周期性的任务。	兼顾实时 / 复杂	后台延迟增加、需同步	需区分任务优先级的场景（如电机过流保护 ISR + 后台参数配置、红外遥控接收 ISR + 后台解码）。
设计思想	状态机系统	-	将复杂的任务流程分解为多个离散的状态，通过状态转移规则（条件触发）管理流程，逻辑可复用。	逻辑清、易维护	多状态复杂、不适合连续态	流程化任务控制（如按键长按 / 短按识别、设备启动 / 运行 / 待机状态切换、协议解析）。
	事件驱动系统	-	引入 “事件队列” 管理中断 / 外部触发的 “事件”，后台按序处理，解耦任务与触发源。	解耦、支持多源	有延迟、队列繁、耗资源	多模块交互场景（如按键、传感器、通信模块的事件统一管理，避免模块间直接耦合）。

代码示例

轮询系统

void main()
{init_system(); // 初始化系统while(1){Led(); // 读取按键delay(10); // 简单延时}
}

时间片轮询系统 

// 多功能电饭煲 - 时间片轮询
volatile uint8_t time_slice = 0;void timer_isr() // 定时器中断
{time_slice = (time_slice + 1) % 4;
}void main()
{init_system();enable_timer_interrupt();while(1){switch(time_slice){case 0:read_temperature();  // 读取温度break;case 1:read_buttons();      // 读取按键break;case 2:update_display();    // 更新显示break;case 3:control_heater();    // 控制加热器break;}}
}

基础中断触发系统

// 燃气泄漏报警器 - 中断驱动系统
volatile uint8_t gas_detected = 0;
volatile uint8_t battery_low = 0;void gas_sensor_isr() // 气体传感器中断
{gas_detected = 1;
}void battery_isr() // 电池检测中断
{battery_low = 1;
}void main()
{init_system();enable_interrupts();while(1){if (gas_detected){sound_alarm();      // 发出警报send_alert_sms();   // 发送短信gas_detected = 0;}if (battery_low){indicate_low_battery();  // 低电量指示battery_low = 0;}enter_deep_sleep();  // 进入深度休眠}
}

前后台系统

// 电热水壶前后台系统伪代码
volatile unsigned char water_boiled_flag = 0;
volatile unsigned char button_pressed_flag = 0;// 前台：中断服务程序
void timer_interrupt() interrupt 1
{static unsigned int count = 0;count++;if(count >= 1000){  // 1秒定时count = 0;check_water_temp();  // 快速温度检查if(water_temp >= 100){water_boiled_flag = 1;  // 设置标志}}
}void button_interrupt() interrupt 0
{button_pressed_flag = 1;  // 按钮按下标志
}// 后台：主循环
void main()
{init_hardware();enable_interrupts();  // 使能中断while(1){// 处理按钮事件if(button_pressed_flag){button_pressed_flag = 0;toggle_heating();}// 处理水沸腾事件if(water_boiled_flag){water_boiled_flag = 0;stop_heating();sound_buzzer();}// 低优先级任务update_led_indicator();}
}

状态机系统

// 自动门控制器 - 状态机系统
typedef enum {DOOR_CLOSED,    // 门关闭DOOR_OPENING,   // 门打开中DOOR_OPEN,      // 门打开DOOR_CLOSING    // 门关闭中
}DoorStateTypeE;DoorStateTypeE current_state = DOOR_CLOSED;void main()
{init_system();while(1){switch(current_state){case DOOR_CLOSED:if (sensor_triggered()){start_motor_open();current_state = DOOR_OPENING;}break;case DOOR_OPENING:if (door_fully_open()){start_timer(5000);  // 5秒延时current_state = DOOR_OPEN;}break;case DOOR_OPEN:if (timer_expired() || sensor_triggered()){start_motor_close();current_state = DOOR_CLOSING;}break;case DOOR_CLOSING:if (door_fully_closed()){stop_motor();current_state = DOOR_CLOSED;}else if (sensor_triggered()){start_motor_open();  // 防夹current_state = DOOR_OPENING;}break;}}
}

事件驱动系统

// 智能门锁事件驱动系统伪代码
typedef enum
{CARD_EVENT,     // 卡片事件KEY_EVENT,      // 按键事件BUTTON_EVENT,   // 按钮事件TIMEOUT_EVENT   // 超时事件
}EventType;typedef struct
{EventType type;unsigned char data;
}Event;// 事件队列
Event event_queue[10];
unsigned char queue_head = 0, queue_tail = 0;// 事件处理函数
void process_card_event(unsigned char card_id)
{if(valid_card(card_id)){unlock_door();start_timer(5000);  // 5秒后自动上锁}
}void process_key_event(unsigned char key)
{add_key_to_buffer(key); // 处理密码输入逻辑if(password_complete()){if(valid_password()) unlock_door();else beep_error();}
}// 主循环：事件处理
void main()
{init_peripherals();while(1){// 检查是否有事件if(queue_head != queue_tail){Event current_event = event_queue[queue_tail];queue_tail = (queue_tail + 1) % 10;// 分发事件switch(current_event.type){case CARD_EVENT:process_card_event(current_event.data);break;case KEY_EVENT:process_key_event(current_event.data);break;case BUTTON_EVENT:process_button_event(current_event.data);break;case TIMEOUT_EVENT:lock_door();break;}}}
}// 中断中添加事件到队列
void card_interrupt() interrupt 0
{unsigned char card_id = read_card_id();event_queue[queue_head].type = CARD_EVENT;event_queue[queue_head].data = card_id;queue_head = (queue_head + 1) % 10;
}

总结

        在实际的裸机单片机开发中，不存在 “唯一最优” 的架构，选择的核心是匹配项目需求、硬件资源和维护成本。大多数场景下，开发者会根据任务复杂度、实时性要求、硬件限制等因素，选择混合架构（多种基础架构的组合）。
如：“前后台 + 状态机”、“前后台 + 事件驱动”

轮询/时间片：主循环主导任务顺序；
中断/前后台：中断触发，区分紧急 / 非紧急；
状态机：用 “状态→条件” 简化复杂流程；
事件驱动：用队列隔离 “触发” 与 “处理”；

不同场景的架构选择

项目复杂度	推荐架构	示例
简单项目	前后台系统	LED控制、简单传感器
中等项目	前后台 + 状态机	电饭煲、洗衣机
复杂项目	前后台 + 状态机 + 事件驱动	智能家居、工业控制器
极高实时性	中断驱动 + 前后台	电机保护、安全系统