A005-软件结构-前后台结构

前后台结构

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

开发环境：AVR Studio 4.19 + avr-toolchain-installer-3.4.1.1195-win32.win32.x86

芯片型号：ATmega16

芯片主频：8MHz

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

一、概述

1、前后台

前台：用来处理输入输出，一般在中断中进行

后台：用来处理逻辑判断、任务计算等，一般交由CPU处理

事件：前后台之间使用事件互相通信，告知事件的发生和结束，这也称消息管理

事件/消息管理是前后台的核心。

关于事件/消息管理，参考这篇文章(消息机制在软件设计中的应用)：http://www.xuebuyuan.com/1777265.html

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2、前后台的运行过程

下面这个示例包含三部分：[按键输入,红外输入,数码管输出] + [事件管理] + [数值计算与存储]

在这个示例中、将使用定时器0的OCF0中断定时检测按键和刷新数码管、使用定时器1的ICP1中断接收红外信号。

如果中断中监测到按键1被按下、就将“事件_按键1按下”设置为1，表示这个事件发生，否则为0。

如果中断中收到红外码2、就将“事件_接收红外2”设置为1，表示这个事件发生，否则为0。

其余事件也是以同样的方式产生、所有事件都保存在事件队列中，供CPU实时查询。

这些事件并不直接调用对应的任务API，而只是设置消息标志。

到此、前台中断的任务结束，不再参与后续的操作。

在后台、CPU会循环监测消息队列，如果发现“事件_按键1按下”标志为1，就调度API"任务_显示001"去执行。

同时、如果后台CPU处理数值计算完毕，也不直接将数值送给前台的数码管显示，而是设置“事件_计算结束”标志为1，然后就此结束。

CPU监测到“事件_计算结束”标志为1时，才调度数码管的API"任务_更新显示"去执行，修改数码管显示的数据。

在中断中、数码管实时刷新后，就可以看到数值计算的结果了。

也就是说、前台的消息通过消息队列，将信息传递给CPU。

而CPU通过与前台任务关联的API来控制和传送数据给前台任务。

前后台之间互相隔离，当然也可以使用消息队列来联系前后台。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3、事件/消息机制的好处

这样的设计、将各个任务模块之间互相隔离，形成松散的联系，软件构成很清晰。

降低了系统的总体复杂度，也就是将系统拆分成了很多小模块，他们互相独立。

而互相独立的模块很容易被单独修改和替换、而又不会影响到其他模块。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

二、代码实现

说明：

1、下面将分几个步骤实现上面的示例：

第一步：前台定时中断调度模块，使用定时器0分时调度每个定时任务，包括数码管和按键扫描等，并给出操作任务的API。

第二步：事件/消息管理模块，作为前后台之间的通信模块。

第三步：前台实时任务，包括红外接收等，并给出操作任务的API。

第四步：后台数值计算任务。

第一步：前台定时任务调度模块

说明：

1、这里将建立一个分时调度模块，用来分时调度3个定时任务

代码：

config.h中用到的一些定义：

#ifndef _countof
#define _countof(_Array) (sizeof(_Array) / sizeof(_Array[0]))
#endif

#ifndef NULL
#define NULL    0
#endif

sys.timer.c中的调度模块：

#include <avr/interrupt.h>
#include "Drv_Timer.h"
#include "sys_timer.h"

typedef void(*p_task_funtion)(void);
typedef struct
{
    uint8_t delay;          // 任务延时计数
    uint8_t period;         // 任务运行间隔
    p_task_funtion task;    // 任务函数
}T_sys_task, *pT_sys_task;

// 这个数组用来注册和管理任务队列
static T_sys_task sys_task_ctrl[10];
static pT_sys_task p_sys_task_ctrl = sys_task_ctrl;

// ==========================================================================================================
// 初始化系统任务队列
//
// ==========================================================================================================
void sys_task_init(void)
{
    uint8_t index = 0;

    for(index = 0; index < _countof(sys_task_ctrl); index++)
    {
        (p_sys_task_ctrl + index)->delay  = 0;
        (p_sys_task_ctrl + index)->period = 0;
        (p_sys_task_ctrl + index)->task   = NULL;
    }
}

// ==========================================================================================================
// 添加任务到任务队列
//
// ==========================================================================================================
void sys_task_add(uint8_t delay, uint8_t period, p_task_funtion task)
{
    uint8_t index = 0;

    for(index = 0; index < _countof(sys_task_ctrl); index++)
    {
        if(NULL == (p_sys_task_ctrl + index)->task) { break; }
    }
    if(index >= _countof(sys_task_ctrl)) { return; }

    (p_sys_task_ctrl + index)->delay  = delay;
    (p_sys_task_ctrl + index)->period = period - 1;
    (p_sys_task_ctrl + index)->task   = task;
}

// ==========================================================================================================
//      系统任务定时器
//
// (1). 使用Timer0的OCF0中断产生1ms的时标
//
// ==========================================================================================================
void sys_timer_init(void)
{
    // 定时器0初始化：CTC模式、OC0引脚不连接、64预分频
    Drv_Timer0_init(T0_WGM_CTC, COM_MODE_NONE, T0_CLK_SOURCE_CLK_64);
    // 设置初值：TCNT0=0、OCR0=122
    Drv_Timer0_set_TCNT0_OCR0(0, 122);
    // 使能OCF0中断
    Drv_Timer0_INT_Enable(INT_MODE_OCF, ENABLE);
}

// ==========================================================================================================
//      系统定时器中断(中断周期=1ms)
//
// (1). 使用Timer0的CTC中断调度各个任务
// (2). sys_task_add中将delay初始化为0，意味着第1次进入这个中断、就会执行这个任务
//
// ==========================================================================================================
volatile uint8_t temp2016; // 调试用
ISR(TIMER0_COMP_vect)
{
    uint8_t index = 0;

    for(index = 0; index < _countof(sys_task_ctrl); index++)
    {
        temp2016 = index;
        if(NULL != (p_sys_task_ctrl + index)->task)
        {
            if(0 == (p_sys_task_ctrl + index)->delay)
            {
                (p_sys_task_ctrl + index)->delay = (p_sys_task_ctrl + index)->period;
                (p_sys_task_ctrl + index)->task();
            }
            else
            {
                (p_sys_task_ctrl + index)->delay--;
            }
        }
    }
}

Mod_LED_display.c中的数码管任务：

// ==========================================================================================================
//      LED数码管显示数据的刷新
//
// (1). 在系统定时器中定时刷新
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
    PORTD ^= (1 << PD0);  // 运行时刻标记

    // 熄灭当前数码管、并保持3个时钟周期的熄灭，用来避免余晖
    *p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[_countof(segment_code) - 1];

    // 切换到下1个数码管
    p_LED_display_ctrl->index++;
    if(p_LED_display_ctrl->index > (_countof(segment_index) - 1))
    {
        p_LED_display_ctrl->index = 0;
    }

    // 修改位选、修改显示
    *p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[_countof(segment_index) - 1];
    *p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
    *p_LED_display_ctrl->seg_code   = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];
}

main.c中初始化3个任务：

// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
#include "sys_timer.h"
#include "system.h"
#include "config.h"

void Mod_test01(void)
{
    PORTD ^= (1 << PD1);  // 运行时刻标记
}

void Mod_test02(void)
{
    PORTD ^= (1 << PD2);  // 运行时刻标记
}

// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    // 关全局中断
    cli();

    // 系统初始化
    sys_init();

    // 开全局中断
    sei();

    // PD[2:0]初始化为输出0
    DDRD  |=   (1 << DDD0) | (1 << DDD1) | (1 << DDD2);
    PORTD &= ~((1 << PD0 ) | (1 << PD1 ) | (1 << PD2 ));

    // 注册3个任务
    sys_task_add(0, 3, Mod_LED_display_update);  // 从时刻0开始运行，以后每隔3个时刻运行一次(1个时刻是1ms)
    sys_task_add(1, 3, Mod_test01);              // 从时刻1开始运行，...
    sys_task_add(2, 3, Mod_test02);              // 从时刻2开始运行，...

    // CPU数值计算
    Mod_LED_display(123456789);

    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    while(1)
    {
    }
    return 0;
}

运行结果：

1、任务1：数码管显示23456789、同时PD0输出脉冲，周期为3ms

任务2：PD1引脚每隔3ms翻转一次电平

任务3：PD2引脚每隔3ms翻转一次电平

2、3个任务都是每隔3ms被调度一次，但他们之间互相间隔1ms被调度：

任务1的运行时刻：0, 3, 6, 9, ...

任务2的运行时刻：1, 4, 7, 10, ...

任务3的运行时刻：2, 5, 8, 11, ...

3个任务的调度时刻如下图所示：

也就是说、同一个ms内，只有1个任务被调度运行，这可以保证1ms只有很少的时间在运行前台任务，剩余的时间交给CPU去做后台任务。

示波器输出如下：

CH1是PD0的输出，CH2是PD1的输出，PD1滞后PD0 1ms。

这表示任务2滞后任务1 1ms后被调度，周期为3ms，说明2个任务都是每隔3ms被调度一次。

CH1是PD0的输出，CH2是PD2的输出，PD2滞后PD0 2ms。

这表示任务3滞后任务1 2ms后被调度，也就是说、任务3滞后任务2 1ms后被调度。

任务调度的周期和预期的一致、为3ms。

这里实现了定时调度任务，支持10个任务，可以设定每个任务被调度运行的时刻。

两个或多个任务可以在同一时刻被调度，也可以相隔几个时刻被调度。

对于比较耗时的任务，应该单独放在1个时刻内去调度。

测试任务耗时

下面使用PD0粗略测量了数码管刷新任务消耗的时间

代码：

Mod_LED_display.c中的数码管任务中修改PD0如下：

// ==========================================================================================================
//      LED数码管显示数据的刷新
//
// (1). 在系统定时器中定时刷新
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
    PORTD |= (1 << PD0);  // 运行时刻标记

    // 熄灭当前数码管、并保持3个时钟周期的熄灭，用来避免余晖
    *p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[_countof(segment_code) - 1];

    // 切换到下1个数码管
    p_LED_display_ctrl->index++;
    if(p_LED_display_ctrl->index > (_countof(segment_index) - 1))
    {
        p_LED_display_ctrl->index = 0;
    }

    // 修改位选、修改显示
    *p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[_countof(segment_index) - 1];
    *p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
    *p_LED_display_ctrl->seg_code   = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];

    PORTD &= ~(1 << PD0);  // 运行时刻标记
}

任务1开始时PD0为高电平，任务1结束后PD0为低电平，也就是说、PD0的高电平时间就是任务1消耗的时间。

这个时间不包含进入和退出任务函数的时间，所以真实时间会稍长一点，但不会差太多。

示波器输出如下：

高电平时间为8.12us，在8MHz下每条指令是0.125us，所以这里大概是执行了66条指令。

同时、8.12us相对于1ms来说，是极其短暂的，只占到8.2%的时间，所以还有91.8%的空闲时间可以交给CPU去处理后台任务。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

第二步：消息管理模块

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

第三步：前台实时任务 (红外接收)

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

第四步：后台数值计算任务

000

时间： 2024-08-09 16:51:17

A005-软件结构-前后台结构

一、概述

1、前后台

2、前后台的运行过程

3、事件/消息机制的好处

二、代码实现

第一步：前台定时任务调度模块

代码：

运行结果：

测试任务耗时

第二步：消息管理模块

第三步：前台实时任务 (红外接收)

第四步：后台数值计算任务