嵌入式开发中多任务操作系统设计

嵌入式开发就是指在嵌入式操作系统下进行开发，包括在系统化设计指导下的硬件和软件以及综合研发。除暂且分离硬件的EDA研发以外，侧重的就是在一定硬件条件下的系统化设计和软件研发。

嵌入式开发是指利用分立元件或集成器件进行电路设计、结构设计，再进行软件编程(通常是高级语言)，实验，经过多轮修改设计、制作，最终完成整个系统的开发。这种嵌入式开发，适用于未来产品比较单一，产量比较大，产品开发周期比较长，成本控制比较严格的系统。嵌入式技术不是单纯的软件技术，也不是单纯的硬件技术，是一门如何在一个特定的硬件环境上开发与构建特定的可编程软件系统的综合技术。嵌入式技术是在嵌入式系统的发展中应运而生的，它是依附于嵌入式系统，并推动嵌入式系统不断向前发展的核心动力。

嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。例如，很多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视等。

0、前言

在嵌入式软件开发，包括单片机开发中，软件架构对于开发人员是一个必须认真考虑的问题。软件架构对于系统整体的稳定性和可靠性是非常重要的，一个合适的软件架构不仅结构清晰，并且便于开发。

我相信在嵌入式或单片机软件开发的初期大多数开发者采用的都是简单的前后台顺序执行架构(我就是这样的)。

在嵌入式软件开发中，程序架构主要分为三种，本篇文章将对这三种程序架构做出详解。

1、软件架构存在的意义

可以说一个好的程序架构，是一个有经验的工程师和一个初学者的分水岭。软件架构对于开发人员是友好的，你希望先执行什么任务后执行什么任务，或者这一个时间点执行什么任务下一个执行什么任务，又或者什么事件会同步到某个任务等等，在不同的软件架构下，解决上述问题的具体方法都是有所区别的。软件架构对开发者最大的帮助是：帮助开发者掌控整个工程的框架，当你熟练使用其中某一个程序架构后，对于系统中出现的bug你一定能够快速的定位并解决。当然，我建议要根据需要选择合适的软件架构进行开发，具体原因在文章后面会进行介绍。

2、深入介绍三种不同的程序架构

三种常用的软件架构有：顺序执行的前后台系统、时间片轮询系统和多任务操作系统。为了让大家有一个更为清晰的认识，我分别用三种软件架构对一个实例进行介绍说明。这个实例如下：它有4个任务，这4个任务为按键扫描、声光报警、显示屏刷新和超声波测距。这个实例的具体功能是通过按键设置测量距离的阈值，当测距距离低于设置的阈值时，触发声光报警并且将测量距离实时显示在显示屏上(这个应用是汽车倒车雷达的具体体现)。

顺序执行的前后台系统

在顺序执行的前后台系统中，我会把键盘扫描用查询的方式放在while(1)中，而显示屏刷新和超声波测距使用中断，在中断服务函数中获取测量距离后进行显示，在主函数的循环中进行按键的检测，声光处理也放在主循环中。这样整个程序就以变量标志的同步方式在主循环和后台中断中执行，对应的程序代码如图所示：

顺序执行前后台系统的主函数

顺序执行前后台系统的中断服务函数这种架构的优点是使用简单易于理解，而缺点是每个任务所占的CPU时间过长的话，会导致程序的实时性能差，就比如按键的检测等。

时间片轮询系统和多任务操作系统

时间片轮询法实际上通常出现在操作系统中，也就是说他属于操作系统，但在这里所说的是基于前后台系统的时间片轮询。时间片轮询法的实质其实就是选出一个定时器，没进一次定时中断对计数值进行自加，在主循环中根据这个计数值执行任务，这个计数值也就是任务轮询的时间片。在这个实例中，如果采用时间片轮询系统的话，首先选用主控芯片的任一定时器，定时器定时时间周期由我们决定，为了保证实时性和运行效率，这个值通常取10ms、30ms、50ms等，我会将按键扫描轮值值设置为20ms，因为按键抖动的时长一般为20ms，这样处理既达到了消抖的目的，又不会漏掉按键的检测;而显示屏的刷新设置为30ms，如果你觉得刷新反应慢了也可以修改这一轮询值得到改善;而超声波测距的轮询值设置为100ms，即每隔100模式触发测距一次，这个测距频率已经能够满足大多数的情况了。程序代码如下：

时间片轮询系统的主函数

时间片轮询系统的定时器中断函数可以看出时间片轮询法相比顺序执行还是有很大优势的，既有顺序执行法的优点，也有操作系统的部分优点。

多任务操作系统

操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理和调度实现的底层是很复杂和困难的。但是呢，我们一般都是把操作系统本身作为一个工具一个平台，我们的目的是使用它的功能而不是开发一个操作系统。

我使用过ucos和freertos小型的实时操作系统，也使用过Linux大型的操作系统，有了操作系统，不管是对于程序的稳定性和开发的效率都会好很多。我们在使用操作系统的时候更多的需要去学习和理解它的一些调度和通信的方式。

实际上真正能使用操作系统的人并不多，反而是跑裸机的占大多数，这也和产品的具体要求有关，很多简单的系统只需要裸机即可满足。

在这里本我不过多的介绍操作系统本身，因为操作系统确实挺复杂的，下面图例中的代码是在freertos中创建按键控制LED亮灭的程序结构，大家可以对比一下：

freertos多任务系统中主函数

freertos多任务操作系统中的任务回调函数