1、前言

在嵌入式MCU軟件開發(fā)過程中，程序任務(wù)調(diào)度架構(gòu)的搭建尤為重要，直接關(guān)系到該程序能支持多少功能（隨著功能越多系統(tǒng)響應(yīng)能力越弱，好的任務(wù)調(diào)度架構(gòu)能夠在保持相同的系統(tǒng)響應(yīng)能力前提下支持更多的功能），下面介紹三種常用的程序任務(wù)調(diào)度框架設(shè)計方案：

前后臺順序執(zhí)行法
時間片論法
操作系統(tǒng)

2、程序框架設(shè)計

前后臺順序執(zhí)行法

這是初學(xué)者們常用的程序框架設(shè)計方案，不用考慮太多東西，代碼簡單，或者對系統(tǒng)的整體實時性和并發(fā)性要求不高；初始化后通過 while(1){ } 或 for(;;){ } 循環(huán)不斷調(diào)用自己編寫完成的函數(shù)，也基本不考慮每個函數(shù)執(zhí)行所需要的時間，大部分情況下函數(shù)中或多或少都存在毫秒級別的延時等待。

優(yōu)點：對于初學(xué)者來說，這是最容易也是最直觀的程序架構(gòu)，邏輯簡單明了，適用于邏輯簡單，復(fù)雜度比較低的軟件開發(fā)。

缺點：實時性低，由于每個函數(shù)或多或少存在毫秒級別的延時，即使是1ms，也會造成其他函數(shù)間隔執(zhí)行時間的不同，雖然可通過定時器中斷的方式，但是前提是中斷執(zhí)行函數(shù)花的時間必須短。當(dāng)程序邏輯復(fù)雜度提升時，會導(dǎo)致后來維護人員的大腦混亂，很難理清楚該程序的運行狀態(tài)。

以下是我在學(xué)校期間做的寢室防盜系統(tǒng)的主函數(shù)代碼（當(dāng)時也存在部分BUG，沒有解決?，F(xiàn)在再看，其實很多問題，而且比較嚴重，比如中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)竟然有3000ms延時，這太可怕了，還有串口發(fā)送等等；由于實時性要求不算太高，因此主函數(shù)中的毫秒級別延時對系統(tǒng)運行沒有多大影響，當(dāng)然除BUG外；若是后期需要維護，那就是一個大工程，還不如推翻重寫）：

int main(void) {    
    u8 temperature;          
    u8 humidity; int a;
    delay_init();
    uart2_Init(9600);     
    TIM3_Int_Init(4999,7199);
    ds1302_init(); while(DHT11_Init()); //DHT11初始化  a1602_init();        
    lcd12864_INIT();
    LcdInit(); 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(); //讀取ds1302的日期時間 shi=At24c02Read(0); //讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù) delay_ms(10);
        fen=At24c02Read(1); //讀取鬧鐘保存的數(shù)據(jù)  usart2_scan(); //藍牙數(shù)據(jù)掃描 usart2_bian(); //藍牙處理數(shù)據(jù) nao_scan();
        k++; if(k<20)
        { if(k==1)
                LcdWriteCom(0x01); //清屏 LcdDisplay(); //顯示日期時間 } if(RED==0)
            RED_Scan(); if(k>=20&&k<30)
        { if(k==20)
                LcdWriteCom(0x01); //清屏 Lcddisplay(); //顯示溫濕度 LcdWriteCom(0x80+6);    
            DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity); //讀取溫濕度值  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(); //顯示防盜鬧鐘狀態(tài) }        
} //定時器3中斷服務(wù)程序 void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中斷 { int i; if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //檢查TIM3更新中斷發(fā)生與否 {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  ); //清除TIMx更新中斷標志  if(key1==1&&FEN-fen==0&&SHI-shi==0) //時間一到鬧鐘響起 {
            f=1;                        
        } 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發(fā)送數(shù)據(jù) while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束 USART_RX_STA=0;    
            }    
            delay_ms(3000); for(i=0;i<3;i++)
            {
                USART_SendData(USART1, num1[i]);//向串口1發(fā)送數(shù)據(jù) while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待發(fā)送結(jié)束 USART_RX_STA=0;    
            }            
        }
    }
}

時間片論法

介于“前后臺順序執(zhí)行法”和“操作系統(tǒng)”之間的一種程序架構(gòu)設(shè)計方案。該設(shè)計方案需能幫助嵌入式軟件開發(fā)者更上一層樓，在嵌入式軟件開發(fā)過程中，若遇到以下幾點，那么該設(shè)計方案可以說是最優(yōu)選擇，適用于程序較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)；

目前的需求設(shè)計需要完全沒有必要上操作系統(tǒng)

任務(wù)函數(shù)無需時刻執(zhí)行，存在間隔時間（比如按鍵，一般情況下，都需要軟件防抖，初學(xué)者的做法通常是延時10ms左右再去判斷，但10ms極大浪費了CPU的資源，在這段時間內(nèi)CPU完全可以處理很多其他事情）

實時性有一定的要求

該設(shè)計方案需要使用一個定時器，一般情況下定時1ms即可（定時時間可隨意定，但中斷過于頻繁效率就低，中斷太長，實時性差），因此需要考慮到每個任務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時間，建議不能超過1ms（能通過程序優(yōu)化縮短執(zhí)行時間則最好優(yōu)化，如果不能優(yōu)化的，則必須保證該任務(wù)的執(zhí)行周期必須遠大于任務(wù)所執(zhí)行的耗時時間），同時要求主循環(huán)或任務(wù)函數(shù)中不能存在毫秒級別的延時。

如何確定每個函數(shù)的任務(wù)周期呢？根據(jù)任務(wù)的耗時和效果決定、如按鍵掃描任務(wù)周期為 10ms（為了提高響應(yīng)），指示燈控制任務(wù)周期為 100ms（通常情況下最高100ms的閃爍頻率正好，特殊需求除外），LCD/OLED 顯示周期為 100ms（通過這種通過SPI/IIC等接口的方式耗時大約在 1~10ms，甚至更長，所以任務(wù)周期必須遠大于耗時，同時為了滿足人眼所能接受的刷屏效果，也不能太長，100ms 的任務(wù)周期比較合適）等

以下介紹兩種不同的實現(xiàn)方案，分別針對無函數(shù)指針概念的朋友和想進一步學(xué)習(xí)的朋友。

① 無函數(shù)指針的設(shè)計方式

首先定義計時標志變量，以1毫秒為時間片，在定時器中斷函數(shù)中累計計時，同時將對應(yīng)時間標識置1 。

void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET)
    {
        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);
}

然后在主函數(shù)循環(huán)中判斷時間標識，標識被置1則代表時間已到，可以執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，全部執(zhí)行完畢后將標識置0 ，等待下次觸發(fā)。

int main(void) {
    System_Init(); while (1)
    { if (TIM_1msFlag)
        {
            CAN_CommTask();// CAN通信任務(wù) TIM_1msFlag = 0;
        } if (TIM_10msFlag)
        {
            KEY_ScanTask();// 按鍵掃描任務(wù) Hmi_Task();// 人機交互任務(wù) TIM_10msFlag = 0;
        } if (TIM_100msFlag)
        { 
            LED_CtrlTask();// 指示燈任務(wù) TIM_100msFlag = 0;
        } if (TIM_1secFlag)
        {
            WDog_Task();// 喂狗任務(wù) TIM_1secFlag = 0;
        }  
    }
}

② 含函數(shù)指針的設(shè)計方式

定義含有函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)體，用來指向需要周期執(zhí)行的函數(shù)。

 typedef struct{ uint8 m_runFlag;/*!< 程序運行標記：0-不運行，1運行 */ uint16 m_timer;/*!< 計時器 */ uint16 m_itvTime;/*!< 任務(wù)運行間隔時間 */ void (*m_pTaskHook)(void);/*!< 要運行的任務(wù)函數(shù) */ } TASK_InfoType;

實現(xiàn)函數(shù)指針任務(wù)基本調(diào)度功能：任務(wù)調(diào)度管理和任務(wù)調(diào)度執(zhí)行。

/**
  * @brief      任務(wù)函數(shù)運行調(diào)度管理.
  */ 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      任務(wù)函數(shù)調(diào)度執(zhí)行.
  */ void TASK_Process(void) {
    uint8 i; for (i = 0; i < TASKS_MAX; i++) { if (sg_tTaskInfo[i].m_runFlag)
        {
             sg_tTaskInfo[i].m_pTaskHook(); // 運行任務(wù) sg_tTaskInfo[i].m_runFlag = 0; // 標志清0 }
    }   
}

分別在定時器中斷函數(shù)和主函數(shù)中調(diào)用任務(wù)調(diào)度管理和任務(wù)調(diào)度執(zhí)行。

int main(void) {
    System_Init(); while (1)
    {
        TASK_Process();
    }
} /**
  * @brief      定時器3中斷服務(wù)函數(shù).
  */ void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update) == SET)
    {
        TASK_Remarks();
    }

    TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);
}

添加需要執(zhí)行的任務(wù)函數(shù)即可。

 #define TASKS_MAX     5 // 定義任務(wù)數(shù)目 /** 任務(wù)函數(shù)相關(guān)信息 */ static TASK_InfoType sg_tTaskInfo[TASKS_MAX] = {
    {0, 1, 1, CAN_CommTask}, // CAN通信任務(wù) {0, 10, 10, KEY_ScanTask}, // 按鍵掃描任務(wù) {0, 10, 10, LOGIC_HandleTask}, // 邏輯處理任務(wù) {0, 100, 100, LED_CtrlTask},// 指示燈控制任務(wù) {0, 1000, 1000, WDog_Task}, // 喂狗任務(wù) };

操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded OperatingSystem)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域，而對于單片機來說，比較常用的有 UCOS、FreeRTOS、RT-Thread Nano 和 RTX 等多種搶占式操作系統(tǒng)（其他如 Linux 等操作系統(tǒng)不適用于單片機）

操作系統(tǒng)和“時間片論法”，在任務(wù)執(zhí)行方面來說，操作系統(tǒng)對每個任務(wù)的耗時沒有過多的要求，需要通過設(shè)置每個任務(wù)的優(yōu)先級，在高優(yōu)先級的任務(wù)就緒時，會搶占低優(yōu)先級的任務(wù)；操作系統(tǒng)相對復(fù)雜，因此這里沒有詳細介紹了。

關(guān)于如何選擇合適的操作系統(tǒng)（[RTOS]uCOS、FreeRTOS、RTThread、RTX等RTOS的對比之特點）：
UCOS：網(wǎng)上資料豐富，非常適合學(xué)習(xí)，但是在產(chǎn)品上使用則需要收費
FreeRTOS：使用免費，因此很多產(chǎn)品都在用
RT-Thread：國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，有著十分豐富的組件，也免費，資料：RT-Thread 文檔中心
RTX：為ARM和Cortex-M設(shè)備設(shè)計的免版稅，確定性的實時操作系統(tǒng)

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