分層思想

　　分層的思想，并不是什么神秘的東西，事實(shí)上很多做項(xiàng)目的工程師本身自己也會(huì)在用?？戳瞬簧偬佣及l(fā)現(xiàn)沒有提及這個(gè)東西，然而分層結(jié)構(gòu)確是很有用的東西，參透后會(huì)有一種恍然大悟的感覺。如果說我不懂LCD怎么驅(qū)動(dòng)，那好辦，看一下datasheet，參考一下別人的程序，很快就可以做出來。但是如果不懂程序設(shè)計(jì)的思想的話，會(huì)給你做項(xiàng)目的過程中帶來很多很多的困惑。 參考了市面上各種各樣的嵌入式書籍，MCS-51，AVR ，ARM 等都有看過，但是沒有發(fā)現(xiàn)有哪本是介紹設(shè)計(jì)思想的，就算有也是鳳毛麟角。寫程序不難，但是程序怎么樣才能寫的好，寫的快，那是需要點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)積累的。結(jié)構(gòu)化模塊化的程序設(shè)計(jì)的思想，是最基本的要求。 然而這么將這個(gè)抽象的概念運(yùn)用到工程實(shí)踐當(dāng)中恩？那需要在做項(xiàng)目的過程中經(jīng)歷磨難，將一些東西總結(jié)出來，抽象升華為理論，對經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的傳播都大有裨益。所以在下出來獻(xiàn)丑一下，總結(jié)一些東西。 就我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)而談，有兩個(gè)設(shè)計(jì)思想是非常重要的。 一個(gè)就是“時(shí)間片輪的設(shè)計(jì)思想”，這個(gè)對實(shí)際中解決多任務(wù)問題非常有用，通?？梢杂眠@個(gè)東西來判斷一個(gè)人是單片機(jī)學(xué)習(xí)者，還是一個(gè)單片機(jī)工程師。這個(gè)必須掌握。（下文將介紹）。

　　第二個(gè)就是“分層屏蔽的設(shè)計(jì)思想”即分層思想。下面用掃描鍵盤程序例子作為引子，引出今天說的東西。

　　問題的提出

　　單片機(jī)學(xué)習(xí)板一般為了簡單起見，將按鍵分配的很好，例如整個(gè) 4*4 的鍵盤矩陣分配到 P1 口上面，8條控制線，剛好。這樣的話程序也非常好寫。只需要簡單的：

　　KEY_DAT= P1;

　　端口的數(shù)據(jù)就讀進(jìn)來了。 誠然，現(xiàn)實(shí)中沒有這么好的事情。在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用當(dāng)中，單片機(jī)引腳的復(fù)用相當(dāng)厲害，這跟那些所謂的單片機(jī)學(xué)習(xí)板就有很大的差別了。

　　另外一個(gè)原因，一般設(shè)計(jì)來說，是“軟件配合硬件”的設(shè)計(jì)流程，簡單點(diǎn)說就是，先確定好硬件原理圖，硬件布線，最后才是軟件的開發(fā)，因?yàn)橛布薷钠饋肀容^麻煩，相對來說軟件修改的時(shí)候比較好改。這個(gè)就是中國傳統(tǒng)的陰陽平衡哲學(xué)原理。硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)本來就是魚和熊掌的關(guān)系，兩者不可兼得。方便了硬件設(shè)計(jì)，很可能給寫軟件帶來很大的麻煩。 反過來說，方便了軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)也會(huì)相當(dāng)?shù)穆闊?。如果硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)同時(shí)方便了，那只有兩種可能，一是這個(gè)設(shè)計(jì)方案非常簡單，二是設(shè)計(jì)師已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常高的境界。我們不考慮那么多情況，單純從常用的實(shí)際應(yīng)用的角度來看問題。

　　硬件為了布線的方便，很多時(shí)候會(huì)可能將IO口分配到不同的端口上面，例如上面說的4*4鍵盤，8根線分別分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么，開發(fā)板的那些掃描鍵盤程序可以去見鬼了。怎么掃按鍵？我想起了我剛開始學(xué)習(xí)的時(shí)候，分成3段非常相似的程序，一個(gè)一個(gè)按鍵的掃描的經(jīng)歷……

　　或許有人不甘心，“那些東西我花了很長時(shí)間學(xué)習(xí)的，也用的好好的，怎么能說一句不用就不用？”雖然有點(diǎn)殘忍，但是我還是想說“兄弟，接受現(xiàn)實(shí)吧，現(xiàn)實(shí)是殘酷的……”

　　不過，人區(qū)別于低等動(dòng)物的差別，是人會(huì)創(chuàng)造，在碰到困難的時(shí)候會(huì)想辦法解決，于是我們開始了沉思……

　　最后我們引入初中數(shù)學(xué)學(xué)的“映射”的概念來解決問題?；舅枷刖褪?，將不同端口的按鍵映射到相同端口上面。

　　按鍵掃描程序如何分成3個(gè)層

　　最底層的是硬件層，完成端口掃描，20ms延時(shí)消抖，將端口的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作為對上層驅(qū)動(dòng)層的一個(gè)接口。

　　中間的一層是驅(qū)動(dòng)層，驅(qū)動(dòng)層只對 KEY_DAT 寄存器的數(shù)值進(jìn)行操作。簡單點(diǎn)說，我們無論底層的硬件是怎么接線的，在驅(qū)動(dòng)層都不需要關(guān)心，只需要關(guān)心 KEY_DAT 這個(gè)寄存器的數(shù)值是什么就可以了。這樣出來的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”，所以驅(qū)動(dòng)層寫的程序就可以通用了。

　　驅(qū)動(dòng)層的另外一個(gè)功能是為了上層提供消息接口。我們用了類似window程序的消息的概念。這里可以提供一些按鍵消息，例如：按下消息，松開消息，長按鍵消息，長按鍵的時(shí)候的步進(jìn)消息，等等。

　　應(yīng)用層屬于最上層的程序，這里就是根據(jù)項(xiàng)目的不同分別寫按鍵功能程序。它使用的是驅(qū)動(dòng)層提供的消息接口。在應(yīng)用層寫程序的思想就是，我不管下層是怎么工作的，我只關(guān)心按鍵消息。有按鍵消息來的時(shí)候我就執(zhí)行功能，沒有消息來的時(shí)候，我就什么也不做。

　　下面用一個(gè)簡單的常用的例子，說明我們這個(gè)設(shè)計(jì)思想的用法。

　　秒表調(diào)整時(shí)間的時(shí)候，要求按著某個(gè)按鍵不放，時(shí)間能連續(xù)的向上增加。這個(gè)東西很實(shí)用，實(shí)際的家電中用途很廣泛。

　　在看下面的東西之前，大家可以想一下，這東西難嗎？相信大家都會(huì)很響亮的回答，“不難??！”，然而我再問：“這東西麻煩嗎？”我相信很多人肯定會(huì)說“很麻煩！！” 這不禁讓我想起開始學(xué)單片機(jī)的時(shí)候?qū)戇@種按鍵的那程序，亂七八糟的結(jié)構(gòu)。如果不相信的話，可以自己用51寫一下哦，那樣就更加能體會(huì)本文說的分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。 項(xiàng)目要求： 兩個(gè)按鍵，分別分配在P10 和P20，分別是“加”“減”按鍵，要求長按鍵的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)連續(xù)加和連續(xù)減的功能。 實(shí)戰(zhàn)： 假設(shè)按鍵上拉，沒有按鍵的時(shí)候高電平，有按鍵的時(shí)候低電平，另外，為了突出問題，這里沒有將延時(shí)消抖的程序?qū)懮先?，在?shí)際項(xiàng)目中應(yīng)該加上。C語言函數(shù)參數(shù)的傳遞多種多樣，這里作為例子，用了最簡單的全局變量來傳遞參數(shù)，當(dāng)然你也可以用 unsigned charReadPort（void）返回一個(gè)讀鍵結(jié)果，甚至還可以 void ReadPort（unsigned char*pt） 用一個(gè)指針變量傳遞地址而達(dá)到直接修改變量的目的。方法是多種多樣的，這個(gè)決定于每個(gè)人的程序風(fēng)格。 1）開始寫硬件層程序，完成映射

　　C語言應(yīng)該很容易看懂吧？如果 KEY_PLUS 按下，P10口讀到低電平，則 P1 &KEY_PLUS 的結(jié)果為 0 （xxxx xxx0 & 0000 0001），滿足if 的條件，進(jìn)入KeyDat |=0x01 是將 KeyDat 的bit0 置一，也就是說，將 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0 KEY_MIN是同樣的道理映射到 KeyDat 的 bit1，如果 KeyDat 的 bit0 為 1 ，則說明 KEY_PLUS 按下，反則亦然。

　　不需要想的很神秘，映射就是這么一回事。如果還有其他按鍵的話，用同樣辦法，將他們?nèi)坑成涞?KeyDat 上面。

　　2）驅(qū)動(dòng)層程序編寫 如果將 KeyDat想象成 P1 口，那么這個(gè)跟學(xué)習(xí)板那標(biāo)準(zhǔn)的掃描程序不就是一樣了嗎？對的，這個(gè)就是底層映射的目的了。

　　3）應(yīng)用層程序編寫 根據(jù)消息，硬件層是必須分離出來，然而驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的要求就不那么嚴(yán)格了，事實(shí)上一些簡單的項(xiàng)目沒有必要將這兩層分離開來，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活應(yīng)對就可以了。 其實(shí)這樣寫程序是很方便移植的，根據(jù)板子的不同而適當(dāng)?shù)男薷囊幌掠布幽莻€(gè) ReadPort 函數(shù)就完成了，驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層很多代碼可以不經(jīng)過修改直接用，很能提高開發(fā)效率的。當(dāng)然這個(gè)按鍵程序會(huì)存在一定的問題，特別是遇到常閉按鍵和點(diǎn)觸按鍵的混合使用的場合。這個(gè)留給大家自己去想了，反正問題總是能找到解決辦法的，盡管方法有好有壞。 時(shí)間片輪設(shè)計(jì)思想 先用一個(gè)小例子引出今天的主題，想象一下，一個(gè)基本的家電控制板，肯定或多或少的會(huì)包含 ：LED 或者 數(shù)碼管顯示，按鍵， 繼電器或者可控硅的輸出 這3部分。數(shù)碼管需要 10ms到20ms的動(dòng)態(tài)掃描，按鍵也需要20ms左右的延時(shí)消抖，有沒有意識(shí)到，其實(shí)這些時(shí)間是同時(shí)在進(jìn)行的。 回想一下咱們的教科書怎么教 按鍵 的延時(shí)消抖的？沒錯(cuò)，死循環(huán)，絕對是原地踏步死循環(huán)，用指令來計(jì)時(shí)。這樣很自然的引發(fā)一個(gè)問題，單片機(jī)在原地踏步死循環(huán)的話，那么其它的工作怎么辦？如數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描怎么辦？ 唯有等按鍵掃描之后再進(jìn)行了，這樣出來的效果，數(shù)碼管肯定會(huì)閃爍的，掃描時(shí)間過長了，縮短按鍵消抖時(shí)間也不是解決辦法，想象如果咱們還有其它很多工作也是同時(shí)做的呢？解決辦法之一，就是今天的主題，分時(shí)掃描的思想。當(dāng)然不會(huì)是唯一的辦法，只不過俺一直在用，覺得這個(gè)是非常不錯(cuò)的思想，可以解決很多實(shí)際問題。大膽妄言一下，分時(shí)掃描的思想也是單片機(jī)編程最核心的思想了，信不信就由你自己判斷了。 核心思想的實(shí)現(xiàn)過程 第一、用RTC中斷來計(jì)時(shí)，RTC的中斷時(shí)間短一點(diǎn)，我習(xí)慣是125us ，為了解紅外遙控的碼，這個(gè)時(shí)間是需要的。RTC計(jì)時(shí)是相當(dāng)準(zhǔn)的，盡量利用。

　　第二、在RTC的中斷服務(wù)程序里面放3個(gè)（數(shù)量自定）記時(shí)器（說白了就是計(jì)數(shù)器），我的習(xí)慣是 2ms 5ms 500ms 這3個(gè)是作為基準(zhǔn)時(shí)間，提供給整個(gè)系統(tǒng)來調(diào)用的，所以必須準(zhǔn)確一點(diǎn)，實(shí)際用示波器調(diào)一下就OK了，不難。

　　第三、在主程序的循環(huán)里面放一個(gè)專門處理時(shí)間的子程序。（注：單片機(jī)是不會(huì)停的，永遠(yuǎn)在不斷循環(huán)的跑，這個(gè)跟學(xué)校學(xué)的貌似有點(diǎn)不同，俺面試的時(shí)候被問過這個(gè)問題 …） 將所有的時(shí)間處理都放在時(shí)間處理子程序里面做，這樣是非常方便的，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)最起碼需要處理 10～20個(gè)不同的時(shí)間，也需要10～20個(gè)計(jì)時(shí)器了，而且相當(dāng)多要求同時(shí)不同步工作的，如果每個(gè)都單獨(dú)的話是相當(dāng)?shù)穆闊?/p>

　　第四、“程序是跑著來等，而不是站著來等”，這話看來有點(diǎn)玄，一個(gè)跟俺一起進(jìn)去公司的工程師討論的時(shí)候提到的這個(gè)問題，俺覺得這個(gè)也是分時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)比較重要的思想，所以也這樣叫，下面有細(xì)說。

　　第五、下面用程序來說話，注釋盡量詳細(xì)，可以不用看代碼，直接看注釋就可以了。

　　先中斷服務(wù)程序部分

　　每 125us 中斷一次，產(chǎn)生幾個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間。

　?。?） ref_2ms寄存器不斷的減1，每次中斷減1，一共減 16次，所以這里經(jīng)過的時(shí)間是 125us × 16 ＝ 2ms，這個(gè)就是所謂的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器 了。這樣就可以靠一個(gè)系統(tǒng)的RTC中斷，來實(shí)現(xiàn)我們需要的很多個(gè)定時(shí)時(shí)間。

　?。?）置2ms 計(jì)時(shí)結(jié)束標(biāo)志，這個(gè)是提供給時(shí)間處理程序用的，這是一個(gè)計(jì)時(shí)器的框架，下面的5ms計(jì)時(shí)完全相同。

　　這程序還用了一個(gè)塊的框架，比較方便的，不過跟今天的主題無關(guān)，以后郁悶的時(shí)候再上來寫寫這個(gè)。上面的程序就是中斷服務(wù)程序里面的計(jì)時(shí)器，分別定時(shí) 2ms 5ms 500ms，計(jì)時(shí)完畢溢出是flag_TIme 標(biāo)志來記錄的，程序通過讀這個(gè)標(biāo)志就可以知道定時(shí)的時(shí)間是否已經(jīng)到了。 下面看那個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間服務(wù)子程序

　　上面用了按鍵20ms消抖的計(jì)時(shí)器作為例子，如果理解之后就可以發(fā)現(xiàn)，我們可以完全模仿那個(gè)計(jì)時(shí)器而在下面放很多很多的計(jì)時(shí)器，則每5ms 進(jìn)來一下，每個(gè)計(jì)時(shí)器都同時(shí)在計(jì)數(shù)了，誰先計(jì)算完畢就先關(guān)掉自己，置相應(yīng)的標(biāo)志給其它程序調(diào)用，而對其它計(jì)時(shí)器完全沒有影響！這樣，我們可以在這里放很多個(gè)計(jì)時(shí)器了，一般來說，十來二十個(gè)是沒有問題的，完全滿足一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)對多個(gè)時(shí)間的需求了。

　　單個(gè)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)很簡單，先判斷允許計(jì)時(shí)標(biāo)志是否進(jìn)入計(jì)時(shí)，然后一個(gè)專用的寄存器在加1或者減1，加/減相應(yīng)的數(shù)值之后也就是相應(yīng)的時(shí)間到了，關(guān)掉計(jì)時(shí)器，置相應(yīng)需要用到的標(biāo)志。

　　到這里差不多了，俺們需要的時(shí)間都可以出來了，這樣做是不是非常方便？咱們再來看看在這段時(shí)間里單片機(jī)在做了什么東西？只有中斷計(jì)時(shí)夠 5ms 或者 500ms ，那個(gè)溢出標(biāo)志才有效，才能進(jìn)入上面的計(jì)時(shí)程序，其它時(shí)間都是在做其它事情。而且進(jìn)入上面的計(jì)時(shí)器的時(shí)候，可以看出，并不是在那里死循環(huán)，只是單純的加減一下寄存器就退出了，整個(gè)過程耗時(shí)極其短，看代碼不同吧，5us到 20us左右吧，對主程序的執(zhí)行沒有什么影響。

　　下面看看具體怎么調(diào)用

　　最開始談過的按鍵的消抖時(shí)間處理問題，現(xiàn)在就用上面介紹的辦法來看具體怎么解決問題。

　　大概是這樣的：判斷什么時(shí)候有鍵，沒有的話跳出，有的話開始延時(shí)消抖的計(jì)時(shí)，第二次進(jìn)來的時(shí)候直接由標(biāo)志位控制過去判斷時(shí)間時(shí)候夠。

　　同樣是等待，這里就是最后一點(diǎn)所說的，咱這是跑著來等，不是站著來等。跟死循環(huán)定時(shí)比較，在沒有定時(shí)到20ms 的這段時(shí)間里面單片機(jī)在做什么？死循環(huán)的話，肯定就是在原地等，什么都不做，而看看上面的程序，他只是判斷是否定時(shí)夠，具體的定時(shí)在統(tǒng)一的時(shí)間子程序里面做，判斷沒有到時(shí)間的話就跳出了，繼續(xù)跑其它的程序，直到當(dāng)時(shí)間到了，單片機(jī)判斷出flag_delay，key_flow 符合條件，開始進(jìn)入按鍵處理程序了，在這個(gè)期間，單片機(jī)都在做其它事情，只是一個(gè)主循環(huán)跑回來判斷一次，所以單片機(jī)完全有空跑其它的程序，而沒有將時(shí)間都耗在消抖上面。

　　主程序循環(huán)體

　　這個(gè)就是用到的循環(huán)體了，所有功能都做成子程序形式了，需要就掛上去就可以了，比較方便，這樣一個(gè)總的循環(huán)體，單片機(jī)就是在不斷的執(zhí)行這個(gè)循環(huán)體，如果整個(gè)程序都采用上面說的分時(shí)掃的思想的話，一周循環(huán)回來的時(shí)間是相當(dāng)短的，其實(shí)是不是跟電腦的思想有點(diǎn)像呢？

　　電腦再快也并不是同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，而且每次處理一個(gè)，然后非?？斓乃俣葋硌h(huán)處理，讓我們感覺上他是在同時(shí)處理多個(gè)程序那樣，我想，我最終想表達(dá)的思想也就是這個(gè)而已。有這個(gè)思想支撐下，單片機(jī)的程序變得比較容易上手了，剩下的只是集中精力去用程序來實(shí)現(xiàn)我們的思想而已，當(dāng)然，這里只是說一種可行的辦法而已，不是說只有這種辦法。

　　編寫程序是一門藝術(shù)，寫出來很容易，寫得精巧卻很難。

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