做嵌入式开发的2个设计思想

笔者参考了市面上各种各样的嵌入式书籍，如MCS-51、AVR、ARM等都有看过，但没发现有哪本是介绍设计思想的，就算有也是凤毛麟角。写程序不难，但如何写得好、写得快，那是需要点经验积累的。所以在下出来献丑一下，总结了一些东西。就我个人的经验而谈，有2个设计思想是非常重要的。

一个是“时间片轮的设计思想”，这个对实际中解决多任务问题非常有用，通常可以用这个东西来判断一个人是单片机学习者，还是一个单片机工程师。这个必须掌握。

第二个就是“分层屏蔽的设计思想”即分层思想。下面，用扫描键盘程序例子作为引子，引出今天说的东西。

分层思想

分层的思想并不是什么神秘的东西，事实上很多做项目的工程师本身自己也会在用。看了不少帖子都发现没有提及这个东西，然而分层结构确是很有用的东西，参透后会有一种恍然大悟的感觉。如果说我不懂LCD怎么驱动，那好办，看一下datasheet，参考一下别人的程序，很快就可以做出来。但是如果不懂程序设计的思想的话，会给你做项目的过程中带来很多很多的困惑。

问题的提出：

单片机学习板一般为了简单起见，将按键分配的很好，例如整个4*4的键盘矩阵分配到P1口上面，8条控制线，刚好。这样的话程序也非常好写。只需要简单的KEY_DAT=P1;端口的数据就读进来了。

诚然，现实中没有这么好的事情。在实际的项目应用当中，单片机引脚的复用相当厉害，这跟那些所谓的单片机学习板就有很大的差别了。

另外一个原因，一般设计来说，是“软件配合硬件”的设计流程，简单点说就是，先确定好硬件原理图，硬件布线，最后才是软件的开发，因为硬件修改起来比较麻烦，相对来说软件修改的时候比较好改。这个就是中国传统的阴阳平衡哲学原理。硬件设计和软件设计本来就是鱼和熊掌的关系，两者不可兼得。方便了硬件设计，很可能给写软件带来很大的麻烦。

反过来说，方便了软件设计，硬件设计也会相当的麻烦。如果硬件设计和软件设计同时方便了，那只有两种可能，一是这个设计方案非常简单，二是设计师已经达到了一个非常高的境界。我们不考虑那么多情况，单纯从常用的实际应用的角度来看问题。

硬件为了布线的方便，很多时候会可能将IO口分配到不同的端口上面，例如上面说的4*4键盘，8根线分别分配到P0 P1 P2 P3上面去了。那么，开发板的那些扫描键盘程序可以去见鬼了。怎么扫按键？我想起了我刚开始学习的时候，分成3段非常相似的程序，一个一个按键的扫描的经历......

或许有人不甘心，“那些东西我花了很长时间学习的，也用的好好的，怎么能说一句不用就不用？”虽然有点残忍，但是我还是想说“兄弟，接受现实吧，现实是残酷的......”

不过，人区别于低等动物的差别，是人会创造，在碰到困难的时候会想办法解决，于是我们开始了沉思......

最后，我们引入初中数学学的“映射”的概念来解决问题。基本思想就是，将不同端口的按键映射到相同端口上面。这样，按键扫描程序就分成3个层次了：

1）最底层的是硬件层：完成端口扫描，20ms延时消抖，将端口的数据映射到一个KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作为对上层驱动层的一个接口。

2）中间的一层是驱动层：驱动层只对KEY_DAT寄存器的数值进行操作。简单点说，我们无论底层的硬件是怎么接线的，在驱动层都不需要关心，只需要关心 KEY_DAT这个寄存器的数值是什么就可以了。这样出来的间接效果就是“屏蔽了底层硬件的差异”，所以驱动层写的程序就可以通用了。

驱动层的另外一个功能是为了上层提供消息接口。我们用了类似window程序的消息的概念。这里可以提供一些按键消息，例如：按下消息，松开消息，长按键消息，长按键的时候的步进消息，等等。

3）应用层：这里就是根据项目的不同分别写按键功能程序，属于最上层的程序。它使用的是驱动层提供的消息接口。在应用层写程序的思想就是，我不管下层是怎么工作的，我只关心按键消息。有按键消息来的时候我就执行功能，没有消息来的时候，我就什么也不做。

下面用一个简单的常用的例子，说明我们这个设计思想的用法。

秒表调整时间的时候，要求按着某个按键不放，时间能连续的向上增加。这个东西很实用，实际的家电中用途很广泛。

在看下面的东西之前，大家可以想一下，这东西难吗？相信大家都会很响亮的回答，“不难！！”，然而我再问：“这东西麻烦吗？”我相信很多人肯定会说“很麻烦！！”这不禁让我想起开始学单片机的时候写这种按键的那程序，乱七八糟的结构。如果不相信的话，可以自己用51写一下哦，那样就更加能体会本文说的分层结构的优越性。

项目要求：

两个按键，分别分配在P10和P20，分别是“加”“减”按键，要求长按键的时候实现连续加和连续减的功能。

实战：

假设按键上拉，没有按键的时候高电平，有按键的时候低电平，另外，为了突出问题，这里没有将延时消抖的程序写上去，在实际项目中应该加上。C语言函数参数的传递多种多样，这里作为例子，用了最简单的全局变量来传递参数，当然你也可以用unsigned charReadPort(void)返回一个读键结果，甚至还可以void ReadPort(unsigned char*pt)用一个指针变量传递地址而达到直接修改变量的目的。方法是多种多样的，这个决定于每个人的程序风格。

1）开始写硬件层程序，完成映射

C语言应该很容易看懂吧？如果KEY_PLUS按下，P10口读到低电平，则P1 &KEY_PLUS 的结果为0 (xxxx xxx0 & 0000 0001)，满足if 的条件，进入KeyDat |=0x01是将KeyDat 的bit0置一，也就是说，将KEY_PLUS映射到KeyDat的 bit0，KEY_MIN是同样的道理映射到KeyDat的bit1。如果KeyDat的bit0为1，则说明KEY_PLUS按下，反则亦然。

不需要想的很神秘，映射就是这么一回事。如果还有其他按键的话，用同样办法，将他们全部映射到KeyDat上面。

2）驱动层程序编写

如果将KeyDat想象成P1口，那么这个跟学习板那标准的扫描程序不就是一样了吗？对的，这个就是底层映射的目的了。

3）应用层程序编写

根据消息，硬件层是必须分离出来，然而驱动层和应用层的要求就不那么严格了，事实上一些简单的项目没有必要将这两层分离开来，根据实际应用灵活应对就可以了。其实，这样写程序是很方便移植的，根据板子的不同而适当的修改一下硬件层那个ReadPort函数就完成了，驱动层和应用层很多代码可以不经过修改直接用，很能提高开发效率的。

当然，这个按键程序会存在一定的问题，特别是遇到常闭按键和点触按键的混合使用的场合。这个留给大家自己去想了，反正问题总是能找到解决办法的，尽管方法有好有坏。

时间片轮设计思想

先用一个小例子引出今天的主题，想象一下，一个基本的家电控制板，肯定或多或少的会包含：LED或者数码管显示、按键、继电器或者可控硅的输出这3部分。数码管需要10ms到20ms的动态扫描，按键也需要20ms左右的延时消抖，有没有意识到，其实这些时间是同时在进行的。

回想一下，咱们的教科书怎么教按键的延时消抖的？没错，死循环，绝对是原地踏步死循环，用指令来计时。这样很自然的引发一个问题，单片机在原地踏步死循环的话，那么其它的工作怎么办？如数码管的动态扫描怎么办？唯有等按键扫描之后再进行了，这样出来的效果，数码管肯定会闪烁的，扫描时间过长了，缩短按键消抖时间也不是解决办法，想象如果咱们还有其它很多工作也是同时做的呢？解决办法之一，就是今天的主题——分时扫描的思想！

当然不会是唯一的办法，只不过俺一直在用，觉得这个是非常不错的思想，可以解决很多实际问题。大胆妄言一下，分时扫描的思想也是单片机编程最核心的思想了，信不信就由你自己判断了。

核心思想的实现：

其实是几个步骤：

第一、用RTC中断来计时，RTC的中断时间短一点，我习惯是125us，为了解红外遥控的码，这个时间是需要的。RTC计时是相当准的，尽量利用。

第二、在RTC的中断服务程序里面放3个（数量自定）记时器（说白了就是计数器），我的习惯是2ms 5ms 500ms这3个是作为基准时间，提供给整个系统来调用的，所以必须准确一点，实际用示波器调一下就OK了，不难。

第三、在主程序的循环里面放一个专门处理时间的子程序。（注：单片机是不会停的，永远在不断循环的跑，这个跟学校学的貌似有点不同，俺面试的时候被问过这个问题….） 将所有的时间处理都放在时间处理子程序里面做，这样是非常方便的，一个单片机系统最起码需要处理10～20个不同的时间，也需要10～20个计时器了，而且相当多要求同时不同步工作的，如果每个都单独的话是相当的麻烦。

第四、“程序是跑着来等，而不是站着来等”，这话看来有点玄，一个跟俺一起进去公司的工程师讨论的时候提到的这个问题，俺觉得这个也是分时系统的一个比较重要的思想，所以也这样叫，下面有细说。

第五、下面用程序来说话，注释尽量详细，可以不用看代码，直接看注释就可以了。

（一）先中断服务程序部分

每125us中断一次;-------------------产生几个基准时间---------------------------

（1）ref_2ms寄存器不断的减1，每次中断减1，一共减16次，所以这里经过的时间是 125us × 16 ＝ 2ms，这个就是所谓的计时/计数器 了。这样就可以靠一个系统的RTC中断，来实现我们需要的很多个定时时间。

（2）置2ms计时结束标志，这个是提供给时间处理程序用的，这是一个计时器的框架，下面的5ms计时完全相同。

这程序还用了一个块的框架，比较方便的，不过跟今天的主题无关，以后郁闷的时候再上来写写这个。上面的程序就是中断服务程序里面的计时器，分别定时 2ms、5ms、500ms，计时完毕溢出是flag_time标志来记录的，程序通过读这个标志就可以知道定时的时间是否已经到了。

（二）下面看那个统一的时间服务子程序

上面用了按键20ms消抖的计时器作为例子，如果理解之后就可以发现，我们可以完全模仿那个计时器而在下面放很多很多的计时器，则每5ms进来一下，每个计时器都同时在计数了，谁先计算完毕就先关掉自己，置相应的标志给其它程序调用，而对其它计时器完全没有影响！这样，我们可以在这里放很多个计时器了，一般来说，十来二十个是没有问题的，完全满足一个单片机系统对多个时间的需求了。

单个计时器的结构很简单，先判断允许计时标志是否进入计时，然后一个专用的寄存器在加1或者减1，加/减相应的数值之后也就是相应的时间到了，关掉计时器，置相应需要用到的标志。

到这里差不多了，俺们需要的时间都可以出来了，这样做是不是非常方便？咱们再来看看在这段时间里单片机在做了什么东西？只有中断计时够5ms或者500ms，那个溢出标志才有效，才能进入上面的计时程序，其它时间都是在做其它事情。而且进入上面的计时器的时候，可以看出，并不是在那里死循环，只是单纯的加减一下寄存器就退出了，整个过程耗时极其短，看代码不同吧，5us到20us左右吧，对主程序的执行没有什么影响。

（三）下面看看具体怎么调用

最开始谈过的按键的消抖时间处理问题，现在就用上面介绍的办法来看具体怎么解决问题。按键的处理也是重要的基础学问，不过不在本次的讨论范围，所以只是单单的讨论怎么解决时间问题，而对于按键的一些问题，下次有机会继续讨论吧，hoho～～～

大概是这样的：判断什么时候有按键，没有的话跳出，有的话开始延时消抖的计时，第二次进来的时候直接由标志位控制过去判断时间时候够。

同样是等待，这里就是最后一点所说的，咱这是跑着来等，不是站着来等。跟死循环定时比较，在没有定时到20ms的这段时间里面单片机在做什么？死循环的话，肯定就是在原地等，什么都不做，而看看上面的程序，他只是判断是否定时够，具体的定时在统一的时间子程序里面做，判断没有到时间的话就跳出了，继续跑其它的程序，直到当时间到了，单片机判断出flag_delay,key_flow符合条件，开始进入按键处理程序了，在这个期间，单片机都在做其它事情，只是一个主循环跑回来判断一次，所以单片机完全有空跑其它的程序，而没有将时间都耗在消抖上面。

（四）看看我的主程序循环体

这个就是我用的循环体了，所有功能都做成子程序形式了，需要就挂上去就可以了，比较方便，这样一个总的循环体，单片机就是在不断的执行这个循环体，如果整个程序都采用上面说的分时扫的思想的话，一周循环回来的时间是相当短的，其实是不是跟电脑的思想有点像呢？电脑再快也并不是同时处理多个任务，而且每次处理一个，然后非常快的速度来循环处理，让我们感觉上他是在同时处理多个程序那样，我想，我最终想表达的思想也就是这个而已。

不知道我对分时扫描这个概念是否理解错了呢？在我看来，有这个思想支撑下，单片机的程序变得比较容易上手了，剩下的只是集中精力去用程序来实现我们的思想而已，当然，这里只是说一种可行的办法而已，不是说只有这种办法，如果大家有好的思想也分享一下哦，编写程序是一门艺术，写出来很容易，但是写得好，写得精巧，那就很难了。

审核编辑：何安