高手谈单片机裸奔的程序框架

从07年参加全国大学生电子设计大赛初次接触单片机开发至今已经有4年了，初学单片机时，都会纠结于其各个模块功能的应用，如串口（232，485）对各种功能IC的控制,电机控制PWM，中断应用，定时器应用，人机界面应用，CAN总线等. 这是一个学习过程中必需的阶段，是基本功。很庆幸，在参加电子设计大赛赛前培训时，MCU周围的控制都训练的很扎实。经过这个阶段后，后来接触不同的MCU就会发现，都大同小异，各有各的优势而已，学任何一种新的MCU都很容易入手包括一些复杂的处理器。而且对MCU的编程控制会提升一个高度概况——就是对各种外围进行控制(如果是对复杂算法的运算就会
用DSP了），而外围与MCU的通信方式一般也就几种时序：IIC,SPI,intel8080,M6800。这样看来MCU周围的编程就是一个很简单的东西了。
然而这只是嵌入式开发中的一点皮毛而已，在接触过多种MCU,接触过复杂设计要求，跑过操作系统等等后，我们在回到单片机的裸机开发时，就不知不觉的就会考虑到整个程序设计的架构问题；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。
以下是我对单片机程序框架以及开发中一些常用部分的认识总结：
任何对时间要求苛刻的需求都是我们的敌人，在必要的时候我们只有增加硬件成本来消灭它；比如你要8个数码管来显示，我们在没有相关的硬件支持的时候必须用MCU以动态扫描的方式来使其工作良好；而动态扫描将或多或少的阻止了MCU处理其他的事情。在MCU负担很重的场合，我会选择选用一个类似max8279外围ic来解决这个困扰；
然而庆幸的是，有着许多不是对时间要求苛刻的事情：
例如键盘的扫描，人们敲击键盘的速率是有限的，我们无需实时扫描着键盘，甚至可以每隔几十ms才去扫描一下；然而这个几十ms的间隔，我们的MCU还可以完成许多的事情；
单片机虽然是裸机奔跑，但是往往现实的需要决定了我们必须跑出操作系统的姿态——多任务程序；
比如一个常用的情况有4个任务：
1 键盘扫描；
2 led数码管显示；
3 串口数据需要接受和处理;
4 串口需要发送数据；
如何来构架这个单片机的程序将是我们的重点；

读书时代的我会把键盘扫描用查询的方式放在主循环中，而串口接收数据用中断，在中断服务函数中组成相应的帧格式后置位相应的标志位，在主函数的循环中进行数据的处理，串口发送数据以及led的显示也放在主循环中；

这样整个程序就以标志变量的通信方式，相互配合的在主循环和后台中断中执行；
然而必须指出其不妥之处：
每个任务的时间片可能过长，这将导致程序的实时性能差。如果以这样的方式在多加几个任务，使得一个循环的时间过长，可能键盘扫描将很不灵敏。所以若要建立一个良好的通用编程模型，我们必须想办法，消去每个任务中费时间的部分以及把每个任务再次分解；下面来细谈每个任务的具体措施：
1 键盘扫描
键盘扫描是单片机的常用函数，以下指出常用的键盘扫描程序中，严重阻碍系统实时性能的地方；
众所周知，一个键按下之后的波形是这样的（假定低有效）：
在有键按下后，数据线上的信号出现一段时间的抖动，然后为低，然后当按键释放时，信号抖动一段时间后变高。当然，在数据线为低或者为高的过程中，都有可能出现一些很窄的干扰信号。
unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8;
if ((P20xf8)!=0xf8)
{
delay(100); //延时20ms去抖--------这里太费时了，很糟糕
if((P20xf8)!=0xf8)
{
sccode=0xfe;
while((sccode0x08)!=0)
{
P2=sccode;
if ((P20xf8)!=0xf8)
break;
sccode=(sccode1)|0x01;
}
recode=(P20xf8)|0x0f;
return(sccoderecode);
}
}
return (KEY_NONE);
}
键盘扫描是需要软件去抖的，这没有争议，然而该函数中用软件延时来去抖（ms级别的延时），这是一个维持系统实时性能的一个大忌讳；
一般还有一个判断按键释放的代码：
While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死循环等待
这样很糟糕，如果把键盘按下一直不放，这将导致整个系统其它的任务也不能执行，这将是个很严重的bug。
有人会这样进行处理：
While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++ > 10)
Break;
}
即在一定得时间内，如果键盘一直按下，将作为有效键处理。这样虽然不导致整个系统其它任务不能运行，但也很大程度上，削弱了系统的实时性能，因为他用了延时函数；




我们用两种有效的方法来解决此问题：
1 在按键功能比较简单的情况下，我们仍然用上面的kbscan()函数进行扫描，只是把其中去抖用的软件延时去了，把去抖以及判断按键的释放用一个函数来处理，它不用软件延时，而是用定时器的计时（用一般的计时也行）来完成；代码如下
void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg= 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}

void ScanKey(void)
{
++KeyDebounceCnt;//去抖计时（这个计时也可以放在后台定时器计时函数中处理）
KeyCode = kbscan();
if (KeyCode != KEY_NONE)
{
if (KeyDebounceFlg)//进入去抖状态的标志位
{
if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖规定的时间
{
if (KeyCode == KeyOldCode)//按键依然存在，则返回键值
{
KeyDebounceFlg= 0;
KeyReleaseFlg = 1;//释放标志
return; //Here exit with keycode
}
ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖动而已
}
}else{
if (KeyReleaseFlg == 0)
{
KeyOldCode = KeyCode;
KeyDebounceFlg= 1;
KeyDebounceCnt= 0;
}else{
if (KeyCode != KeyOldCode)
ClearKeyFlag();
}
}
}else{
ClearKeyFlag();//没有按键则清零标志
}
KeyCode = KEY_NONE;
}


在按键情况较复杂的情况，如有长按键，组合键，连键等一些复杂功能的按键时候，我们跟倾向于用