【小黑嵌入式系统第六课】嵌入式系统软件设计基础——C语言简述、程序涉及规范、多任务程序设计、状态机建模(FSM)、模块化设计、事件触发、时间触发

矫情吗；* 2024-02-20 11:02 28阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*   *  一 单片机的C语言简述
     *   *  1、为什么要用C语言？
         *  2、单片机的C语言怎么学？
         *   *  之一：变量定义
             *  之二：特殊寄存器操作
             *  之三：位操作
             *  之四：中断
             *  之五：内部函数(intrinsic Function)
             *  之六：函数的可重入性
             *  讨论与总结：
     *  二 程序设计规范
     *   *  1、什么要学习程序设计规范？
         *  2、程序规范的基本原则？
         *   *  （一）编程风格
             *  （二）可移植性
             *  （三）版本管理、可配置
     *  三 前后台多任务程序设计
     *   *  （一）前后台程序的基本概念
         *  （二）前后台程序的编写基本原则
         *   *  （1）任何一个任务都不能阻塞CPU。
             *  （2）关注函数重入问题
             *  （3）临界代码保护（Critical Code Protection）
             *  （4）临界代码的保护方法
         *  讨论与总结
     *  四 FSM：状态机建模
     *   *  1、什么是状态机？
         *  2、为什么要引入状态机？
         *  3、流程图无法描述的软件行为举例
         *  4、引入“状态机” 的优势
         *  5、状态机的表示方法：状态转移图
         *  6、由状态转移图生成代码
         *  7、状态机建模举例
     *  五 模块化程序设计
     *   *  1、模块化程序的原则
         *  2、键盘模块化程序
         *  3、带长短键识别的键盘模块化程序
         *  4、串口收发模块化程序
         *  5、数码管显示模块化程序
         *  6、时钟和日历程序
     *  六 事件触发多任务程序设计
     *   *  1、什么是事件触发程序？
         *  2、事件触发程序的程序架构
         *  3、事件触发程序设计范例
     *  七 时间触发系统

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### 一 单片机的C语言简述 ###

#### 1、为什么要用C语言？ ####

**理由1：大幅减少编程劳动量**

![在这里插入图片描述][c70965d6a94947d583fc35bbf637f649.png_pic_center]

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**理由2：代码的通用性**

![在这里插入图片描述][e37314d625614bf99ba3774d4104b15f.png_pic_center]

*  C语言可以为世界上任何一款处理器编程 (包括所有单片机)
 *  在任何一款单片机上开发的程序，都可以移植到别的处理器上。
 *  代码的模块化、可复用性 => 减少重复劳动、加快开发速度。

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#### 2、单片机的C语言怎么学？ ####

![在这里插入图片描述][b3fbdfcba5b4473e92616946f7700546.png_pic_center]  
**PSoC Creator集成开发环境所配备的PSoC 5LP编译器为GCC-ARM（GNU Compiler Collection for ARM Embedded Processors），是一款免费的C/C++编译器。其文档位于图中gcc目录内。  
C预处理器、链接器、汇编器、调试器、函数库等相关软件工具的文档位于图中的pdf目录及其子目录内。**

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##### 之一：变量定义 #####

![在这里插入图片描述][7e14ef90a4964b8a927211449fcc7b48.png_pic_center]

**处理器、编译器类型的不同，在变量定义上与VC略有不同。**

**几个特殊关键词的含义:**  
　  
**const**：定义常量。const关键字定义的常量被放在ROM中，常用于定义如系数表、显示段码表等。  
**static** ：相当于本地全局变量，在函数内使用，可以避免全局变量使用混乱。  
**volatile** ：定义“挥发性”变量。编译器将认为该变量的值会随时改变，对该变量的任何操作都不会被优化掉。

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##### 之二：特殊寄存器操作 #####

![在这里插入图片描述][ed220f871f3a4b23bd687c2763458fe5.png_pic_center]  
**结论：**

(1)特殊寄存器经过定义之后，可以像变量一样操作。

(2)包含单片机头文件，就已经完成了变量定义工作。

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##### 之三：位操作 #####

![在这里插入图片描述][7efcc779d29e485c81d0c68dbf2977af.png_pic_center]  
**结论：若处理器不支持单个位的操作，则要用左边的方式实现。**

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##### 之四：中断 #####

![在这里插入图片描述][00b6ef5c252f4c0bb7f48df306ccff49.png_pic_center]  
**结论：(1)C语言将中断作为特殊函数 (2)该函数由中断机制调用**

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##### 之五：内部函数(intrinsic Function) #####

![在这里插入图片描述][1fbd210e380041ad9236900c91e0d085.png]  
**结论：  
(1)内部函数是将该款单片机的一些特殊指令做成函数形式  
(2)在使用前，要包含内部函数头文件。**

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##### 之六：函数的可重入性 #####

![在这里插入图片描述][499820a4130745769fd3d2b63a471a99.png_pic_center]  
**结论：  
(1)低端单片机因资源少，函数用静态传递，不可重入。  
(2)中高端单片机编译器，函数用栈传递，允许重入。**

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##### 讨论与总结： #####

1、即使是初学者，也完全可以在不深入了解汇编指令系统的情况下直接开始C语言开发

2、任何一款处理器的C语言，都是在标准C语言 (ANSI-C) 上增加对相应处理器的特殊操作而构成。

3、C编译器的表现通常非常优秀。如果没有几年的手工汇编经验3很难写出比C编译器更高效的代码。  
4、如果在编程过程中将硬件差异集中到某个很小的局部，整个程序通过很简单的修改就能编译成另一CPU的机器码。这就是所谓的“代码移植”，是嵌入式软件设计最重要的思想之一。  
5、在一开始就树立可移植性、模块化的概念，养成好的编程习惯，这正是下一部分对减少重复劳动、加快开发速度有很大帮助的主要目的。

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### 二 程序设计规范 ###

#### 1、什么要学习程序设计规范？ ####

1、程序不仅要被计算机执行，还要给程序员阅读，以及被今后重复使用。  
2、一个风格清爽而严谨、规范化的程序更容易被读懂，更容易被修改、排错和移植。  
3、规范化编程、高度一致的风格和正确的习惯还有助于保持思维清晰，写出正确无误的代码。特别是一个开发团队共同工作时，规范一致化的编程尤其重要  
4、每个初学者在项目初期都会因为不良编程习惯浪费大量时间，因此若能在开始写程序时就重视规范化问题，对顺利渡过提高阶段有很大帮助。

#### 2、程序规范的基本原则？ ####

原则:

(1)一致的代码风格，统一的变量名、函数名命名规则

(2)符合英语语法、可阅读的代码

(3)关键代码100%注释

(4)硬件有关、硬件无关代码分离，可移植性强

(5)每个对象都具有完善的封装，接口形式简洁、易用

(6）对所有资源严格要求硬件隔离层，软件中不允许直接访问硬件，不允许跨层调用。

##### （一）编程风格 #####

![在这里插入图片描述][6f72adb76eaa4df3bdb62663b88fec09.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][756bcc1a01b14359b792fa6038edea78.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][01463de120c74325b32c686a2335f822.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][ee814bb74e9b4ab3a4c5c4db7717d9f6.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][b9039489ac3443ac849e8af5c087c4e6.png_pic_center]

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##### （二）可移植性 #####

**1)消除CPU差异**

若希望自己写的程序在不同处理器上运行，首先需要了解这些处理器的不同之处。其中包括硬件的不同以及特殊语法的差异。例如MSP430单片机没有位操作指令，8051单片机有，若两者之间程序需相互移植，首先需要消灭这个差异。  
![在这里插入图片描述][bb3e06114b084948a829491582351bcf.png_pic_center]  
**2)消除硬件差异**

![在这里插入图片描述][b558a2e93c3b498b8c56c4d21604d489.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][a42ae509e4ba4d6dbe56580adb32625e.png_pic_center]

**更改数码管硬件布线，无需重写段码表**

**3)封装**

封装是指将软/硬件对象的属性与行为绑定在一起，并放置在一个模块单元内。该单元负责将所描述的属性隐藏起来，外界对其内部属性的所有访问只能通过提供的**应用程序接口**实现。

![在这里插入图片描述][f8efa5dbb3334e479c39110c154e595b.png_pic_center]

**初学者常见问题：**

![在这里插入图片描述][8e9570f37a674b51ac4fcfcb3195228b.png_pic_center]  
**4)应用程序接口(API)**

接口是对软/硬件对象的抽象，对外提供的服务和访问功能，

即：对象封装后对外呈现成什么样？

原则：（1）**使用方便**（2）**功能丰富**（3）**但不要过多过滥**

【例】为液晶显示模块规划应用程序接口：

![在这里插入图片描述][47b9f0dbbc6a4f4a8987f3d65c7ff2e4.png_pic_center]  
**5)软件层次**

例：菜单程序  
![在这里插入图片描述][012b06de11e2484fb6c08a996e683d89.png]  
　  
（1）杜绝跨层调用  
（2）功能模块可以任意拼接、组合  
（3）要有硬件隔离层(HAL)  
（4）更换任意层代码，上下层建筑不变

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##### （三）版本管理、可配置 #####

![在这里插入图片描述][ba01112102ca446ca5e2897b3e06a305.png_pic_center]  
　  
（1）尽可能减少软件副本  
（2）类似的产品/设计尽可能公用同一代码  
（3）利用宏定义配置功能  
（4）永远在最新的代码上开发，保留最新版

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### 三 前后台多任务程序设计 ###

#### （一）前后台程序的基本概念 ####

![在这里插入图片描述][e3bf59f543ee4278b2add21ec8ba7801.png_pic_center]  
**任务(Task)** ：指完成某一单一功能的程序  
**后台程序**：对时间要求不严格的任务，通常在主循环内执行  
**前台程序**：要求快速响应或者时间严格的任务，通常中断内  
**队列/缓冲**：用于暂存后台来不及处理的前台事件

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#### （二）前后台程序的编写基本原则 ####

##### （1）任何一个任务都不能阻塞CPU。 #####

每个任务都应主动结束，让出CPU。不能有等待、死循环、长延时等环节（**对初学者来说是难点！**）

![在这里插入图片描述][f8877a3115eb4ef480ee84db5fb5c4d6.png_pic_center]

##### （2）关注函数重入问题 #####

可重入（Reentrancy）：函数在自己调用自己的时候，不必担心数据被破坏。

从软件工程角度对函数可重入的作用可以解释为：**具有可重入性的函数能够被多个任务同时调用**。在后台程序中，任务都是顺序执行的，不存在多个任务同时调用一个函数的情况。但可能出现前台中断服务程序与后台任务同时调用某个函数。

因此对于前后台公用函数，**必须是可重入的**。

【例】：

![在这里插入图片描述][f356caf300704dd881aaa12199dbdf50.png_pic_center]

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##### （3）临界代码保护（Critical Code Protection） #####

临界代码：运行时不可分割的代码，这部分代码**不允许被中断打断**。

**1） 依靠软件产生时间严格时序的程序段。**

/***************************************************
    *名称:          Pulse 10us()
    *功能:         产生10us脉冲
    *入门参数:     无
    **************************************************/
    void Pulse_10us()
    {
        
    	_DINT();            // -------以下是临界代码区，不允许被中断
    	IO=1;               // 置高
    	_delay_cycles(8); 	// 高电平持续10us (O赋值身耗2us)
    	IO=0;               //置低
    	_EINTO0;            // -------以上是临界代码区-----------
    }

**2）共享资源互斥性造成的临界代码**

程序中任何可被占用的实体都称为“**资源**”。资源可以是硬件设备，如定时器、串口、打印机、键盘、LCD显示器等，也可以是变量、数组、队列、等数据。

被一个以上任务所占用的资源叫做“**共享资源**”。共享资源若不能同时被多任务占用，则具有“**互斥性**”（Mutual Exclusive）。

**【例】：前后台同时调用液晶显示函数造成花屏**

![在这里插入图片描述][23955bbbc0c1436bad86dac14d90d9f5.png]

##### （4）临界代码的保护方法 #####

*  **关中断、开中断**  
    隐患: 如果在A函数的临界代码区调用了另一个函数B，B函数内也有临界代码区，从B函数返回时，中断被打开了，这将造成A函数后续代码失去临界保护。所以，使用该方法时，不能在临界代码区调用任何具其他有临界代码的函数!
 *  **利用硬件栈保存中断使能状态**  
    优点:不影响函数调用  
    缺点:很多单片机的C语言不支持操作硬件栈
 *  **利用变量保存中断使能状态**  
    缺点:每一段临界代码要消耗2-4字节内存
 *  **利用模拟栈保存中断使能状态**  
    缺点:速度慢

**典型错误1：在临界代码区调用其他临界代码**

A()
    {
        	
    	int_Disable();	
    	B();	// 这期间中断是开的，所执行的代码不被临界保护
    	int_Enable();
    }
    
    
    B()
    {
        
    	int_Disable();	
    	// ...
    	int_Enable();
    }

**典型错误2：在主函数和中断中都调用LCD操作函数**

*  LCD操作耗时长，不应放在中断中。
 *  LCD操作是临界代码，LCD是互斥性共享资源，LCD操作函数都是不可重入的，如果主函数里没有做临界代码保护，结果就是没多久屏幕就花了或呈死机效果。

#### 讨论与总结 ####

1.  后台中任务顺序执行。每个后台任务中的内存(局部变量)在任务结束后可以全部释放，让给下一个任务使用。即使在RAM很少的处理器上也能同时执行众多任务。
2.  后台中任务顺序执行。天然避免了后台任务资源互斥问题，但仍需考虑前后台之间的资源互斥问题。
3.  前后台程序的结构灵活，实现形式与实现手段多样，是使用最广的程序结构，但**缺乏架构标准**，维护、升级、排错都很困难。
4.  必须要程序员自己来判断和**处理临界代码**的隐患。
5.  程序多任务的执行依靠每个任务的非阻塞性来保证，是编程最大的难点，下一节将介绍的FSM将是解决这一问题的利器!

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### 四 FSM：状态机建模 ###

![在这里插入图片描述][6ba149984dec43a1b4b0344858586df0.png_pic_center]

#### 1、什么是状态机？ ####

有限状态自动机（Finite-State Machine, FSM），简称状态机，是表示有限个**状态**以及在这些状态之间的**转移**和**动作**等行为的数学模型。

#### 2、为什么要引入状态机？ ####

**流程图的缺陷：**

> 1、不能用于描述“任何时候”发生的事件  
> 2、无法描述“由外部事件决定流程”的程序  
> 3、不适合描述带有阻塞的并发过程  
> 4、难以描述大量的独立事件。

**需要：能够描述并发结构的软件，能从行为的角度来描述软件，且能够根据模型生成代码，也能够对软件进行完整测试的新手段—状态机模型。**

#### 3、流程图无法描述的软件行为举例 ####

**（1）不能用于描述“任何时候”发生的事件**  
![在这里插入图片描述][bc3ce1a47fab4ad0a0e890ac32293fcf.png_pic_center]  
**（2）不能用于描述由外部事件决定流程的事件**

【例】：电子表有两个按键，但按键顺序完全由外部决定  
![在这里插入图片描述][2dd3bb26197346dd9c1762127df43a44.png_pic_center]  
**（3）不适合描述带有阻塞的并发过程**

【例】：一个单片机同时控制2台电动机完成运转时序

![在这里插入图片描述][6b81fe840f0b4a88be42b96ce7dd8afc.png_pic_center]  
**（4）不适合描述大量的独立事件**

【例】：投币式自动咖啡机程序

**流程图：投币->选咖啡->出咖啡->结束**  
**然 而…**

*  如果没有放咖啡杯就选择咖啡，会发生什么情况？
 *  如果咖啡杯未满之前，用户取走了咖啡杯，会发生什么情况？
 *  如果咖啡灌了一半时，用户取走咖啡杯，再放回，能否把剩下一半继续加满？
 *  如果咖啡灌了一半时，用户取走咖啡杯，不再放回，剩下一半是否会加到下一用户杯中？
 *  如果咖啡杯未满之前，用户取走了咖啡杯，然后按退币扭，该如何处理？
 *  如果还没有完成一次点单之前，用户再次投币，会发生什么情况？
 *  如果一杯咖啡尚未加满时，用户又点了另一种咖啡，会发生什么情况？
 *  如果用户一次投入两杯咖啡的钱，该怎样处理？
 *  如果咖啡存储容器已空，用户点单时能否正确提示？
 *  如果咖啡杯未满之前，咖啡机空了，能否给用户退款？  
    **…**

#### 4、引入“状态机” 的优势 ####

上面这些例子中，软件下一步要执行的功能不仅与外界入信息有关，还与系统的“**当前状态**”有关。状态机就是一种基于“**状态**”与“**事件**”的软件描述手段!其优势在于:

(1) **能够处理并发**。由于系统在每一时刻只能有唯一的状态，在每一个状态下，可能发生的事件也是有限的。因此系统中即使存在有大量的独立事件，软件描述也会简单得多。

(2) **能够消除阻寒**。真正需要CPU处理的只有系统状态发生改变的那一刻，在系统等待事件到来的期间，是不需要CPU处理的。如果能够用状态与事件的形式来描述软件，能够将CPU从等待事件发生的过程中解放出来，从而生成无阻塞的代码。

(3) **能够降低系统的复杂度**，提高可测性

#### 5、状态机的表示方法：状态转移图 ####

![在这里插入图片描述][f5fa2cda3f454ff7b79633f1166884c9.png_pic_center]

> **圆圈**：状态 (有限个)  
> **有向箭头**：状态转移  
> **Event事件**：事件发生时将触发状态转移  
> **Action动作**：状态转移的同时执行动作

#### 6、由状态转移图生成代码 ####

**方法1、在状态中判断事件（事件查询）**

![在这里插入图片描述][2d7514901f1f447f8c35324f159f8028.png_pic_center]

switch(State)		//根据当前状态决定程序分支
    {
        
    	case S0:			//在s0状态
    		if(Event0)
    		{
        			//如果查询到Event0事件
    					Action0();
    		}
    		else if(Event1)
    		{
        			//如果查询到Event1事件
    					Action1();
    					State=S1;
    		}
    		else if(Event2)
    		{
        			//如果查询到Event2事件
    					Action3();
    					State=S2;
    		}
    		break;
    	case S1:			//在s1状态
    		if(Event2)
    		{
        			//如果查询到Event2事件
    					Action2();
    					State=S2;
    		}
    		break;
    ......

**方法2、在事件中判断状态（事件触发)**

![在这里插入图片描述][569727aaca10477d8d964c286a9a1dce.png_pic_center]

#### 7、状态机建模举例 ####

**例1 电子表程序**

![在这里插入图片描述][87885459f150496a9ab76717ba2cd256.png]

====A键中断====
    switch(Status)		/*根据当前状态处理A键所引发的状态跳跳转*/
    {
        
    	case DISP_TIMME: Status = DISP_DATE;break://时间显示时按A键，显示日期
    	case DISP_DATE: Status = DISP_SEC; break;
    	case DISP_SEC: Status= DISP_TIME; break;
    	case SET_HOUR: if(++Hour>23) Hour=0; break; //小时设置时按A键调整小时case SET_MINUTE: if(++Min>59) Min=0; break;
    	case SET_MONTH: if(++Month>12) Month=1; break;
    	case SET_DATE: if(++Date>31) Date=0; break;
    }
    
    ====B键中断=====
    switch (Status)			/*/根据当前状态处理B键所引发的状态跳转/*/
    {
        
    case DISP_TIME;		Status= SET_HOUR; break;	//时间显示时按B键,设置小时
    case DISP_DATH;		Status= SET_HOUR: break;	//日期显示时按B键,设置小时
    case DISP_SEC;		Second 0; break;			//秒钟显示时按B键,秒归零
    case SET_HOUR;		Status= SET_MINUTE; break;	//小时设置时按B键，分钟设置
    case SET_MINUTE;	Status= SET_MONTH; break;	//分钟设置时按B键月设置
    case SET_MONTH;		Status= SET_DATE; break;	//月设置时按B键，日设置
    case SET_DATE;		Status= DISP_TIME; break;	//日设置时按B键，显示时间
    }

**例2 长短按键识别**

![在这里插入图片描述][b56ce65ff21a4075b2764b92d3db70de.png]  
**例3 事件序列匹配**

![在这里插入图片描述][21beb506f5b9482d9c5d7c98642f18f9.png]

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### 五 模块化程序设计 ###

#### 1、模块化程序的原则 ####

1.  **非阻寒性** 不能长时间占用CPU，更不死等待某个事件的发生，尽快地让出CPU，供后续任务执行。
2.  **硬件隔离** 屏蔽硬件特征，起到硬件隔离层的作用。上层软件将不涉及直接硬件操作。
3.  **模块独立性** 各个程序库之间没有代码关联性(没有互相调用和隶属关系)，在使用时，各个模块文件可以任意拼接、组合、拆分。
4.  **时间独立性** 使用缓冲区、事件队列等手段，对时间关联性强的事件进行斩存和缓冲，使之可以被异步处理。
5.  **可移植性** 代码都按照标准C的规范，很容易的移植到其他处理器上，或者其它硬件平台上。
6.  **100%注释** 注释关键代码的功能或设计意图，以及每个函数的功能.入口出口参数、说明及注意事项，使用范例等。
7.  **开放性** 方便日后修改、添加新的功能函数。

#### 2、键盘模块化程序 ####

![在这里插入图片描述][39a8cde5726041fcba9954beabb0bf97.png]

#### 3、带长短键识别的键盘模块化程序 ####

![在这里插入图片描述][ad4f51fb72594e629448b452a79681a7.png]

#### 4、串口收发模块化程序 ####

![在这里插入图片描述][b6c6c9dd959649969ba757c8fa506b8c.png]

#### 5、数码管显示模块化程序 ####

![在这里插入图片描述][b62b706083b642019eee3e2ce0a6eb9d.png]

#### 6、时钟和日历程序 ####

![在这里插入图片描述][4c93658f14404a2d8970dc0fa1096923.png]

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### 六 事件触发多任务程序设计 ###

#### 1、什么是事件触发程序？ ####

![在这里插入图片描述][8a5b810d32b147ffb3be00ca3a6ae3e7.png_pic_center]  
任务全部在中断内完成，主程序休眠。  
可以看做前后台程序中，只有前台任务。

特点：1）**实时性较好，事件响应较快**；2）**低功耗**

#### 2、事件触发程序的程序架构 ####

![在这里插入图片描述][0b3fcaeaa4da4dc1ae06b4dcf934866a.png]

> **中断**：获取原始的事件信息。  
> **事件引擎**：判断何种事件发生，并调用相应处理程序。  
> （一个中断有多个中断源时）  
> **事件处理程序**：只负责某个事件的处理，要求非阻塞。

#### 3、事件触发程序设计范例 ####

有3个按键 (S1、S2、S3)，按下为低电平。外部输入电压从ADC输入。设计一款超低功耗的电压表，要求用事件触发结构实现下列功能:

1.  实现电压测量功能，每秒刷新显示2次电压测量值。  
    每次测量值由ADC连续采样4次求平均得到。
2.  按下S1键时，斩停采样与显示刷新(保持功能)
3.  按下S2键时，恢复采样与刷新。
4.  按下S3键时，将采样数据从串口发出。

![在这里插入图片描述][8157525294b24fddb23f1425e39a0608.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][0e823750fa7149b98417e3b405d9c0d7.png]  
**第3步**:编写5个事件处理程序，此时并不关心事件如何发生如何被检测到，以及按什么顺序发生

**第4步**:测试。按照预先设定的顺序，依次调用5个事件处理程序(并不需要硬件上真的发生事件)，模拟事件发生，即可进行代码测试。

**第5步**:编写事件引擎，在中断内检测和判判断事件，并分别调用相应的事件处理程序。

--------------------

### 七 时间触发系统 ###

时间触发系统可以理解为一种特殊的事件触发系统，但它另有自己的特点。

例子：一个医生，必须在一些护理人员的帮助下，通宵照顾十个危重病人，方案可以是

● 安排护理人员在某个病人出现严重问题时唤醒他  
——**事件触发**  
● 每小时闹铃，闹铃响时起床去探访每个病人  
——**时间触发**

以每小时的间隔探访病人，医生能在严重并发症出现之前探访每个病人并安排合理的治疗。另外，工作量在整个晚上平摊。于是，所有病人都能平安地度过这个夜晚。

而前一种方式可能会出现护理人员在唤醒医生时，有多个病人都出现了严重并发症，需要依次做手术，后面的病人有可能来不及得到手术治疗。

这个医院的例子在事件驱动的系统中，即可能同时发生几个事件。需要处理同时发生的多个事件不但增加了系统复杂性，而且降低了对事件触发系统在所有情况下的行为做出预计的能力。

相比而言，在时间触发的嵌入式系统中，设计人员能够通过仔细安排可控的顺序，保证一次只处理一个事件。

许多嵌入式系统并不需要睡眠，采用时间触发方法有很多好处，有助于改善可靠性和安全性（如广泛应用于航空航天工业和汽车工业），主要原因在于系统的行为可以预计。

时间触发方法还能降低CPU的负荷，并减少存储器的使用量。

嵌入式系统需要执行的任务分为两种：

● **周期性任务**，比如每100ms执行一次
      ● **单次任务**，如在50ms的延迟后执行一次

**考虑方案1：**

void main(void)
    {
        
        Init_System();
        while(1)
        {
        
            X();                     // 执行任务（耗时10ms）
            Delay_90ms();   // 延迟90ms
        }
    }

需要知道任务X的精确运行时间

这个运行时间永不变化—— **不可行**

**考虑方案2：**

基于定时器中断，在一定的时刻调用函数

如果要支持多个任务（这些任务一般具有不同的运行时间并以不同的时间间隔运行），可以每个任务都使用一个定时器。

但：浪费硬件资源（或者不够用）、硬件的维护增加、会同时产生多个定时器中断。——**不合理**

**解决方案：使用调度器**

● 调度器可以看作是一个简单的操作系统，允许以周期性或单次方式来调用任务。

● 从底层的角度来看，调度器可以看作是一个由许多不同任务共享的定时器中断服务程序。

**用调度器来调度三个任务的执行：**

void main(void)
    {
        
        SCH_Init();     // 设置调度器一次
    
        /*---- 增加各任务至任务队列（时间分辨率为1ms）----*/
        // Function_A将每隔2ms运行一次
        SCH_Add_Task(Function_A, 0, 2);
        // Function_B将每隔10ms运行一次
        SCH_Add_Task(Function_B, 1, 10); 
        // Function_C将每隔15ms运行一次
        SCH_Add_Task(Function_C, 3, 15); 
    
        SCH_Start();   // 启动调度
        while(1)
        {
        
           // 按调度算法执行任务队列中各任务
           SCH_Dispatch_Tasks();   
        }
    }

![在这里插入图片描述][64deb07b14024fab948ffc561bd16a6d.png_pic_center]  
**调度器的分类**

● 合作式调度器
      ● 抢占式调度器

**合作式调度器：**  
● 任务在特定的时刻被调度运行（以周期性或单次方式）

● 当任务需要运行时，被添加到等待队列

● 当CPU空闲时，运行等待任务中的下一个（如果有的话）

● 前一任务运行直到完成，才轮到下一个等待任务

● 简单，用少量代码即可实现

● 一次只为一个任务分配存储器

● 通常完全由高级语言如C实现

● 小心设计可以实现快速响应外部事件

● 简单、可预测、可靠并且安全

**抢占式调度器：**

● 任务在特定的时刻被调度运行（以周期性或单次方式）

● 当任务需要运行时，被添加到等待队列

● 等待的任务运行一段固定的时间，如果没有完成，将被暂停并放回到等待队列。然后下一个等待任务（如果有的话）将运行一段固定的时间。

● 高优先级的任务可以抢占低优先级任务优先运行

● 复杂，“并行处理的”任务试图访问公用资源时需避免冲突等

● 必须为被抢占任务的所有中间状态分配存储器

● 通常（至少是部分）由汇编语言编写

● 对外部事件响应快

● 与合作式调度比，通常认为其更不可预测、并且可靠性较低

**混合式调度器：**

● 支持多个合作式调度的任务

● 支持一个抢占式任务（可以“中断”合作式任务）

[Link 1]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/134066722
[PSoC_ 5LP _CY8CKIT-050B _PSoC_ 5LP_I_O_GPIO_LED]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/134156457
[c70965d6a94947d583fc35bbf637f649.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/d5087abf05954bfb8adf093e917c9106.png
[e37314d625614bf99ba3774d4104b15f.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/aa3a017003064a77a8f3d362f0859d0a.png
[b3fbdfcba5b4473e92616946f7700546.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/06a0ab2b7341462d89a4f4df4721770c.png
[7e14ef90a4964b8a927211449fcc7b48.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/752e59b591a247f08ed10d5437d35989.png
[ed220f871f3a4b23bd687c2763458fe5.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/5d674a180c6b4885a927844011ed2e93.png
[7efcc779d29e485c81d0c68dbf2977af.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/c900735ca9df49c3b5e4cbbc5ed5527d.png
[00b6ef5c252f4c0bb7f48df306ccff49.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/e736da32e41b46438a4833759417e2ec.png
[1fbd210e380041ad9236900c91e0d085.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/352b5938ae6e4671bbb06810c6d6d443.png
[499820a4130745769fd3d2b63a471a99.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/20b40689b0c64b9babe2236015c2cdf4.png
[6f72adb76eaa4df3bdb62663b88fec09.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/36449f38f9d54bd3b1b684d2f2d54e51.png
[756bcc1a01b14359b792fa6038edea78.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/e115c5553f7f487080eb1e22c655d63a.png
[01463de120c74325b32c686a2335f822.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/20/5ab4ef88173549c5a1f118aefbd66874.png
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