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freeRTOS系列教程之freeRTOS入门与工程实践章节汇总 https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132842016 第2章 单片机程序设计模式
本章目标
理解裸机程序设计模式了解多任务系统中程序设计的不同
2.1 裸机程序设计模式
裸机程序的设计模式可以分为轮询、前后台、定时器驱动、基于状态机。前面三种方法都无法解决一个问题假设有A、B两个都很耗时的函数无法降低它们相互之间的影响。第4种方法可以解决这个问题但是实践起来有难度。
假设一位职场妈妈需要同时解决2个问题给小孩喂饭、回复工作信息场景如图所示后面将会演示各类模式下如何写程序 2.1.1 轮询模式
示例代码如下
// 经典单片机程序: 轮询
void main()
{while (1){喂一口饭();回一个信息();}
}在main函数中是一个while循环里面依次调用2个函数这两个函数相互之间有影响如果“喂一口饭”太花时间就会导致迟迟无法“回一个信息”如果“回一个信息”太花时间就会导致迟迟无法“喂下一口饭”。
使用轮询模式编写程序看起来很简单但是要求while循环里调用到的函数要执行得非常快在复杂场景里反而增加了编程难度。
2.1.1 前后台
所谓“前后台”就是使用中断程序。假设收到同事发来的信息时电脑会发出“滴”的一声这时候妈妈才需要去回复信息。示例程序如下
// 前后台程序
void main()
{while (1){// 后台程序喂一口饭();}
}// 前台程序
void 滴_中断()
{回一个信息();
}main函数里while循环里的代码是后台程序平时都是while循环在运行当同事发来信息电脑发出“滴”的一声触发了中断。妈妈暂停喂饭去执行“滴_中断”给同事回复信息
在这个场景里给同事回复信息非常及时即使正在喂饭也会暂停下来去回复信息。“喂一口饭”无法影响到“回一个信息”。但是如果“回一个信息”太花时间就会导致 “喂一口饭”迟迟无法执行。
继续改进假设小孩吞下饭菜后会发出“啊”的一声妈妈听到后才会喂下一口饭。喂饭、回复信息都是使用中断函数来处理。示例程序如下
// 前后台程序
void main()
{while (1){// 后台程序}
}// 前台程序
void 滴_中断()
{回一个信息();
}// 前台程序
void 啊_中断()
{喂一口饭();
}main函数中的while循环是空的程序的运行靠中断来驱使。如果电脑声音“滴”、小孩声音“啊”不会同时、相近发出那么“回一个信息”、“喂一口饭”相互之间没有影响。在不能满足这个前提的情况下比如“滴”、“啊”同时响起先“回一个信息”时就会耽误“喂一口饭”这种场景下程序遭遇到了轮询模式的缺点函数相互之间有影响。
2.1.2 定时器驱动
定时器驱动模式是前后台模式的一种可以按照不用的频率执行各种函数。比如需要每2分钟给小孩喂一口饭需要每5分钟给同事回复信息。那么就可以启动一个定时器让它每1分钟产生一次中断让中断函数在合适的时间调用对应函数。示例代码如下
// 前后台程序: 定时器驱动
void main()
{while (1){// 后台程序}
}// 前台程序: 每1分钟触发一次中断
void 定时器_中断()
{static int cnt 0;cnt;if (cnt % 2 0){喂一口饭();}else if (cnt % 5 0){回一个信息();}
}main函数中的while循环是空的程序的运行靠定时器中断来驱使。定时器中断每1分钟发生一次在中断函数里让cnt变量累加代码第14行。第15行进行求模运算如果对2取模为0就“喂一口饭”。这相当于每发生2次中断就“喂一口饭”。第19行进行求模运算如果对5取模为0就“回一个信息”。这相当于每发生5次中断就“回一个信息”。
这种模式适合调用周期性的函数并且每一个函数执行的时间不能超过一个定时器周期。如果“喂一口饭”很花时间比如长达10分钟那么就会耽误“回一个信息”反过来也是一样的如果“回一个信息”很花时间也会影响到“喂一口饭”这种场景下程序遭遇到了轮询模式的缺点函数相互之间有影响。
2.1.3 基于状态机
当“喂一口饭”、“回一个信息”都需要花很长的时间无论使用前面的哪种设计模式都会退化到轮询模式的缺点函数相互之间有影响。可以使用状态机来解决这个缺点示例代码如下
// 状态机
void main()
{while (1){喂一口饭();回一个信息();}
}在main函数里还是使用轮询模式依次调用2个函数。
关键在于这2个函数的内部实现使用状态机每次只执行一个状态的代码减少每次执行的时间代码如下
void 喂一口饭(void)
{static int state 0;switch (state){case 0:{/* 舀饭 *//* 进入下一个状态 */state;break;}case 1:{/* 喂饭 *//* 进入下一个状态 */state;break;}case 2:{/* 舀菜 *//* 进入下一个状态 */state;break;}case 3:{/* 喂菜 *//* 恢复到初始状态 */state 0;break;}}
}void 回一个信息(void)
{static int state 0;switch (state){case 0:{/* 查看信息 *//* 进入下一个状态 */state;break;}case 1:{/* 打字 *//* 进入下一个状态 */state;break;}case 2:{/* 发送 *//* 恢复到初始状态 */state 0;break;}}
}以“喂一口饭”为例函数内部拆分为4个状态舀饭、喂饭、舀菜、喂菜。每次执行“喂一口饭”函数时都只会执行其中的某一状态对应的代码。以前执行一次“喂一口饭”函数可能需要4秒钟现在可能只需要1秒钟就降低了对后面“回一个信息”的影响。
同样的“回一个信息”函数内部也被拆分为3个状态查看信息、打字、发送。每次执行这个函数时都只是执行其中一小部分代码降低了对“喂一口饭”的影响。
使用状态机模式可以解决裸机程序的难题假设有A、B两个都很耗时的函数怎样降低它们相互之间的影响。但是很多场景里函数A、B并不容易拆分为多个状态并且这些状态执行的时间并不好控制。所以这并不是最优的解决方法需要使用多任务系统。
2.2 多任务系统
2.2.1 多任务模式
对于裸机程序无论使用哪种模式进行精心的设计在最差的情况下都无法解决这个问题假设有A、B两个都很耗时的函数无法降低它们相互之间的影响。使用状态机模式时如果函数拆分得不好也会导致这个问题。本质原因是函数是轮流执行的。假设“喂一口饭”需要t1t5这5段时间“回一个信息需要”tate这5段时间轮流执行时先执行完t1t5再执行tate如下图所示 对于职场妈妈她怎么解决这个问题呢她是一个眼明手快的人可以一心多用她这样做
左手拿勺子给小孩喂饭右手敲键盘回复同事两不耽误小孩“以为”妈妈在专心喂饭同事“以为”她在专心聊天但是脑子只有一个啊虽然说“一心多用”但是谁能同时思考两件事只是她反应快上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩下一秒钟考虑给同事回复什么信息本质是交叉执行t1t5和tate交叉执行如下图所示 基于多任务系统编写程序时示例代码如下
// RTOS程序
喂饭任务()
{while (1){喂一口饭();}
}回信息任务()
{while (1){回一个信息();}
}void main()
{// 创建2个任务create_task(喂饭任务);create_task(回信息任务);// 启动调度器start_scheduler();
}第21、22行创建2个任务第25行启动调度器之后这2个任务就会交叉执行了
基于多任务系统编写程序时反而更简单了
上面第2~8行是“喂饭任务”的代码第10~16行是“回信息任务”的代码编写它们时甚至都不需要考虑它和其他函数的相互影响。就好像有2个单板一个只运行“喂饭任务”这个函数、另一个只运行“回信息任务”这个函数。
多任务系统会依次给这些任务分配时间你执行一会我执行一会如此循环。只要切换的间隔足够短用户会“感觉这些任务在同时运行”。如下图所示 2.2.2 互斥操作
多任务系统中多个任务可能会“同时”访问某些资源需要增加保护措施以防止混乱。比如任务A、B都要使用串口能否使用一个全局变量让它们独占地、互斥地使用串口示例代码如下
// RTOS程序
int g_canuse 1;void uart_print(char *str)
{if (g_canuse){g_canuse 0;printf(str);g_canuse 1;}
}task_A()
{while (1){uart_print(0123456789\n);}
}task_B()
{while (1){uart_print(abcdefghij);}
}void main()
{// 创建2个任务create_task(task_A);create_task(task_B);// 启动调度器start_scheduler();
}程序的意图是task_A打印“0123456789”task_B打印“abcdefghij”。在task_A或task_B打印的过程中另一个任务不能打印以避免数字、字母混杂在一起比如避免打印这样的字符“012abc”。
第6行使用全局变量g_canuse实现互斥打印它等于1时表示“可以打印”。在进行实际打印之前先把g_canuse设置为0目的是防止别的任务也来打印。
这个程序大部分时间是没问题的但是只要它运行的时间足够长就会出现数字、字母混杂的情况。下图把uart_print函数标记为①~④个步骤
void uart_print(char *str)
{if( g_canuse ) ①{g_canuse 0; ②printf(str); ③g_canuse 1; ④}
}如果task_A执行完①进入if语句里面执行②之前被切换为task_B在这一瞬间g_canuse还是1。
task_B执行①时也会成功进入if语句假设它执行到③在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。
task_A继续从上次被暂停的地方继续执行即从②那里继续执行成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为“abc0123456789”。
是不是“①判断”、“②清零”间隔太远了uart_print函数改进成如下的代码呢
void uart_print(char *str)
{g_canuse--; ① 减一if( g_canuse 0 ) ② 判断{printf(str); ③ 打印}g_canuse; ④ 加一
}即使改进为上述代码仍然可能产生两个任务同时使用串口的情况。因为“①减一”这个操作会分为3个步骤a.从内存读取变量的值放入寄存器里b.修改寄存器的值让它减一c.把寄存器的值写到内存上的变量上去。
如果task_A执行完步骤a、b还没来得及把新值写到内存的变量里就被切换为task_B在这一瞬间g_canuse还是1。
task_B执行①②时也会成功进入if语句假设它执行到③在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。
task_A继续从上次被暂停的地方继续执行即从步骤c那里继续执行成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为“abc0123456789”。
从上面的例子可以看到基于多任务系统编写程序时访问公用的资源的时候要考虑“互斥操作”。任何一种多任务系统都会提供相应的函数。
2.2.3 同步操作
如果任务之间有依赖关系比如任务A执行了某个操作之后需要任务B进行后续的处理。如果代码如下编写的话任务B大部分时间做的都是无用功。
// RTOS程序
int flag 0;void task_A()
{while (1){// 做某些复杂的事情// 完成后把flag设置为1flag 1;}
}void task_B()
{while (1){if (flag){// 做后续的操作}}
}void main()
{// 创建2个任务create_task(task_A);create_task(task_B);// 启动调度器start_scheduler();
}上述代码中在任务A没有设置flag为1之前任务B的代码都只是去判断flag。而任务A、B的函数是依次轮流运行的假设系统运行了100秒其中任务A总共运行了50秒任务B总共运行了50秒任务A在努力处理复杂的运算任务B仅仅是浪费CPU资源。
如果可以让任务B阻塞即让任务B不参与调度那么任务A就可以独占CPU资源加快处理复杂的事情。当任务A处理完事情后再唤醒任务B。示例代码如下
// RTOS程序
void task_A()
{while (1){// 做某些复杂的事情// 释放信号量,会唤醒任务B;}
}void task_B()
{while (1){// 等待信号量, 会让任务B阻塞// 做后续的操作}
}void main()
{// 创建2个任务create_task(task_A);create_task(task_B);// 启动调度器start_scheduler();
}第15行任务B运行时等待信号量不成功时就会阻塞不在参与任务调度。第7行任务A处理完复杂的事情后释放信号量会唤醒任务B。第16行任务B被唤醒后从这里继续运行。
在这个过程中任务A处理复杂事情的时候可以独占CPU资源加快处理速度。 本章完
