单片机设计新思路：把主程序放入中断如何？

mcu由于内部资源的限制，软件设计有其特殊性，程序一般没有复杂的算法以及数据结构，代码量也不大，通常不会使用OS (Operating System),因为对于一个只有若干K ROM,一百多byte RAM的mcu来说，一个简单OS也会吃掉大部分的资源。

对于无os的系统，流行的设计是主程序(主循环) +（定时）中断，这种结构虽然符合自然想法，不过却有很多不利之处，首先是中断可以在主程序的任何地方发生，随意打断主程序。其次主程序与中断之间的耦合性（关联度）较大，这种做法使得主程序与中断缠绕在一起，必须仔细处理以防不测。

那么换一种思路，如果把主程序全部放入（定时）中断中会怎么样？这么做至少可以立即看到几个好处:系统可以处于低功耗的休眠状态，将由中断唤醒进入主程序;如果程序跑飞，则中断可以拉回；没有了主从之分（其他中断另计），程序易于模块化。

(题外话：这种方法就不会有何处喂狗的说法，也没有中断是否应该尽可能的简短的争论了)

为了把主程序全部放入（定时）中断中，必须把程序化分成一个个的模块，即任务，每个任务完成一个特定的功能，例如扫描键盘并检测按键。设定一个合理的时基(tick),例如5, 10或20 ms,每次定时中断，把所有任务执行一遍，为减少复杂性，一般不做动态调度（最多使用固定数组以简化设计，做动态调度就接近os了），这实际上是一种无优先级时间片轮循的变种。来看看主程序的构成：

void main()

{

….// Initialize

while (true) {

IDLE；//sleep

}

}

这里的IDLE是一条sleep指令，让mcu进入低功耗模式。中断程序的构成

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

….

进入中断后，首先重置Timer,这主要针对8051, 8051自动重装分频器只有8-bit,难以做到长时间定时；复位stack，即把stack指针赋值为栈顶或栈底（对于pic，TI DSP等使用循环栈的mcu来说，则无此必要），用以表示与过去决裂，而且不准备返回到中断点，保证不会保留程序在跑飞时stack中的遗体。Enable_Timer_Interrupt也主要是针对8051。8051由于中断控制较弱，只有两级中断优先级，而且使用了如果中断程序不用reti返回，则不能响应同级中断这种偷懒方法，所以对于8051,必须调用一次reti来开放中断：

_Enable_Timer_Interrupt:

acall_reti

_reti:reti

下面就是任务的执行了，这里有几种方法。第一种是采用固定顺序，由于mcu程序复杂度不高，多数情况下可以采用这种方法：

…

Enable_Timer_Interrupt;

ProcessKey();

RunTask2();

…

RunTaskN();

while (1) IDLE；

可以看到中断把所有任务调用一遍，至于任务是否需要运行，由程序员自己控制。另一种做法是通过函数指针数组：

#define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))

typedef void (*FUNCTIONPTR)();

const FUNCTIONPTR[] tasks = {

ProcessKey,

RunTask2，

…

RunTaskN

};

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

for (i=0; i

(*tasks[i])();

while (1) IDLE；

}

使用const是让数组内容位于code segment（ROM)而非data segment (RAM)中，8051中使用code作为const的替代品。

(题外话：关于函数指针赋值时是否需要取地址操作符&的问题，与数组名一样，取决于compiler.对于熟悉汇编的人来说，函数名和数组名都是常数地址，无需也不能取地址。对于不熟悉汇编的人来说，用&取地址是理所当然的事情。Visual C++ 2005对此两者都支持)

这种方法在汇编下表现为散转,一个小技巧是利用stack获取跳转表入口:

movA, state

acallMultiJump

ajmpstate0

ajmpstate1

...

MultiJump:

popDPH

popDPL

rlA

jmp@A+DPTR

还有一种方法是把函数指针数组（动态数组，链表更好，不过在mcu中不适用）放在data segment中，便于修改函数指针以运行不同的任务，这已经接近于动态调度了：

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

tasks[0] = ProcessKey;

tasks[0] = RunTaskM;

tasks[0] = NULL;

...

FUNCTIONPTR pFunc;

for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)  {

pFunc = tasks[i]);

if (pFunc != NULL)

(*pFunc)();

}

通过上面的手段，一个中断驱动的框架形成了，下面的事情就是保证每个tick内所有任务的运行时间总和不能超过一个tick的时间。为了做到这一点，必须把每个任务切分成一个个的时间片，每个tick内运行一片。这里引入了状态机(state machine)来实现切分。关于state machine,很多书中都有介绍，这里就不多说了。

(题外话：实践升华出理论，理论再作用于实践。我很长时间不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到学习UML/C++，书中介绍tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然开朗。功夫在诗外，掌握C++,甚至C# JAVA,对理解嵌入式程序设计，会有莫大的帮助)

状态机的程序实现相当简单，第一种方法是用swich-case实现：

void RunTaskN()

{

switch (state) {

case 0: state0(); break; case 1: state1(); break;

…

case M: stateM(); break;

default:

state = 0;

}

}

另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组：

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };

void RunTaskN()

{

(*states[state])();

}

下面是state machine控制的例子：

void state0() { }

void state1() { state++; }//next state;

void state2() { state+=2; }//go to state 4;

void state3() { state--; }//go to previous state;

void state4() { delay = 100; state++; }

void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }   //delay 100*tick

void state6() { state=0; }//go to the first state

一个小技巧是把第一个状态state0设置为空状态，即：

void state0() { }

这样，state =0可以让整个task停止运行，如果需要投入运行，简单的让state = 1即可。

以下是一个键盘扫描的例子，这里假设tick = 20 ms, ScanKeyboard()函数控制口线的输出扫描，并检测输入转换为键码，利用每个state之间20 ms的间隔去抖动。

enum EnumKey {

EnumKey_NoKey =0,

…

};

struct StructKey {

intkeyValue;

boolkeyPressed;

} ;

struct StructKeyProcess key;

void ProcessKey() { (*states[state])(); }

void state0() { }

void state1() { key.keyPressed = false; state++; }

void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }//next state if a key pressed

void state3()

{//debouncing state

key.keyValue = ScanKey();

if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)

state--;

else {

key.keyPressed = true;

state++;

}

}

void state4() {if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }//next state if the key released

void state5() {ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; }

上面的键盘处理过程显然比通常使用标志去抖的程序简洁清晰，而且没有软件延时去抖的困扰。以此类推，各个任务都可以划分成一个个的state,每个state实际上占用不多的处理时间。某些任务可以划分成若干个子任务，每个子任务再划分成若干个状态。

(题外话：对于常数类型，建议使用enum分类组织，避免使用大量#define定义常数)

对于一些完全不能分割，必须独占的任务来说，比如我以前一个低成本应用中红外遥控器的软件解码任务，这时只能牺牲其他的任务了。两种做法：一种是关闭中断，完全的独占;

void RunTaskN()

{

Disable_Interrupt;

…

Enable_Interrupt;

}

第二种，允许定时中断发生，保证某些时基register得以更新;

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

Enable_Timer_Interrupt;

UpdateTimingRegisters();

if (watchDogCounter = 0) {

ResetStack();

for (i=0; i

(*tasks[i])();

while (1) IDLE；

}

else

watchDogCounter--;

}

只要watchDogCounter不为0，那么中断正常返回到中断点，继续执行先前被中断的任务，否则，复位stack,重新进行任务循环。这种状况下，中断处理过程极短，对独占任务的影响也有限。

中断驱动多任务配合状态机的使用，我相信这是mcu下无os系统较好的设计结构。对于绝大多数mcu程序设计来说，可以极大的减轻程序结构的安排，无需过多的考虑各个任务之间的时间安排，而且可以让程序简洁易懂。缺点是，程序员必须花费一定的时间考虑如何切分任务。

下面是一段用C改写的CD Player中检测disc是否存在的伪代码，用以展示这种结构的设计技巧，原源代码为Z8 mcu汇编,基于Sony的DSP, Servo and RF处理芯片,通过送出命令字来控制主轴/滑板/聚焦/寻迹电机，并读取状态以及CD的sub Q码。这个处理任务只是一个大任务下用state machine切开的一个二级子任务，tick = 20 ms。

state1() { InitializeMotor(); state++; }

state2() {

if (innerSwitch != ON) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);

timeout = MILLISECOND(10000)；

state++;//滑板电机向内运动,直至触及最内开关。

}

else

state +=2;

}

state3() {

if ((--timeout) == 0) {//note: some C compliers do not support (--timeout) ==

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

state = 0;// 10 s超时错误，

}

else {

if (innerSwitch == ON) {

SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)

timeout = MILLISECOND(200);// 200ms电机停止时间

state++;

}

}

}

state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }//等待电机完全停止

state5() {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);

timeout = MILLISECOND(2000)；

state++;

}//滑板电机向外运动,脱离inner switch

state6() {

if ((--timeout) == 0) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

state = 0;// 2 s超时错误，

}

else {

if (innerSwitch == OFF) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

timeout = MILLISECOND(200);// 200ms电机停止时间

state++;

}

}

}

state7() { state4(); }

state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;}//打开激光器

state9() {

SendCommand(FocusUp);

state++;

timeout = MILLISECOND(2000)；

}//光头上举，检测聚焦过零3次，判断cd是否存在

state10() {

if (FocusCrossZero){

systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;

SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);//有cd,打开自动聚焦。

state = 0;//本任务结束。

playProcess.state = 1;//启动play任务

}

else if ((--timeout) == 0) {

SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);//光头聚焦复位

if ((--retryCounter) == 0) {

systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;//无盘

displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;//显示闪烁的无盘

LaserOff();

state = 0;//任务停止

}

else

state--;//再试

}

}

stateStop() {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);

SendCommand(EnumCommand_FocusClose);

state = 0;

}