嵌入式常用的软件框架介绍与选择

1、引言

在嵌入式软件开发，特别是单片机开发中，软件架构的选择是开发人员必须认真考虑的问题。合适的软件架构不仅能确保系统整体的稳定性和可靠性，还能使开发过程更加简化和高效。

我相信大部分嵌入式或单片机软件开发者在初期都采用了简单的顺序执行架构。

在嵌入式软件开发中，程序架构主要可以分为三种，本文将详细介绍这三种程序架构。

2、软件架构的重要性

一个好的软件架构可以说是有经验的工程师和初学者之间的分水岭。

软件架构对开发人员是非常友好的，你可以通过它规划任务的执行顺序，确定何时执行某个任务，或者在某一时间点执行何种任务，甚至可以实现任务的同步。不同的软件架构在解决这些问题时有各自的特点和方法。

软件架构对开发者的帮助主要体现在以下几个方面：

1. 帮助开发者掌握整个项目的框架，熟练掌握某种程序架构后，可以迅速定位和解决系统中出现的问题和错误。

2. 根据需求选择合适的软件架构进行开发，这样能够更好地满足项目的要求和目标。具体的原因将在本文后面进行介绍。

3、介绍三种程序架构

常用的三种软件架构包括：顺序执行的前后台系统、时间片轮询系统和多任务操作系统。

为了更清晰地理解它们，我将使用三种软件架构对一个实例进行介绍和说明。该实例如下：

有4个任务，分别是按键扫描、声光报警、显示屏刷新和超声波测距。实例的具体功能是通过按下键盘设置测量距离的阈值，当测距距离低于设置的阈值时，触发声光报警并且将测量距离实时显示在显示屏上（这个实例可以看作是汽车倒车雷达的具体体现）。

3.1 顺序执行的前后台系统

在顺序执行的前后台系统中，我将键盘扫描放在主循环（while(1)）中进行查询，而显示屏刷新和超声波测距将使用中断来实现。中断服务函数将获取测量距离并进行显示，而按键的检测和声光处理则在主循环中完成。

这样，整个程序通过变量标志的同步方式在主循环和后台中断中执行。具体的程序代码如下图所示：

这种架构的优点是使用简单易于理解，而缺点是每个任务所占的CPU时间过长的话，会导致程序的实时性能差，就比如按键的检测等。

3.2 时间片轮询系统和多任务操作系统

时间片轮询法实际上通常出现在操作系统中，也就是说他属于操作系统，但在这里所说的是基于前后台系统的时间片轮询。

时间片轮询法的实质其实就是选出一个定时器，没进一次定时中断对计数值进行自加，在主循环中根据这个计数值执行任务，这个计数值也就是任务轮询的时间片。

在这个实例中，如果采用时间片轮询系统的话，首先选用主控芯片的任一定时器，定时器定时时间周期由我们决定，为了保证实时性和运行效率，这个值通常取10ms、30ms、50ms等，我会将按键扫描轮值值设置为20ms，因为按键抖动的时长一般为20ms，这样处理既达到了消抖的目的，又不会漏掉按键的检测；而显示屏的刷新设置为30ms，如果你觉得刷新反应慢了也可以修改这一轮询值得到改善；

而超声波测距的轮询值设置为100ms，即每隔100模式触发测距一次，这个测距频率已经能够满足大多数的情况了。

程序代码如下：

可以看出时间片轮询法相比顺序执行还是有很大优势的，既有顺序执行法的优点，也有操作系统的部分优点。

3.3 多任务操作系统

操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理和调度实现的底层是很复杂和困难的。但是呢，我们一般都是把操作系统本身作为一个工具一个平台，我们的目的是使用它的功能而不是开发一个操作系统。

我使用过ucos和freertos小型的实时操作系统，也使用过Linux大型的操作系统，有了操作系统，不管是对于程序的稳定性和开发的效率都会好很多。我们在使用操作系统的时候更多的需要去学习和理解它的一些调度和通信的方式。

实际上真正能使用操作系统的人并不多，反而是跑裸机的占大多数，这也和产品的具体要求有关，很多简单的系统只需要裸机即可满足。

在这里本我不过多的介绍操作系统本身，因为操作系统确实挺复杂的，下面图例中的代码是在freertos中创建按键控制LED亮灭的程序结构，大家可以对比一下：

4、系统框架选择

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