目录1.裸机程序设计模式1.1 轮询模式示例代码如下1.2 前后台示例程序如下在这个场景里给同事回复信息非常及时1.3 定时器驱动示例代码如下1.4 基于状态机可以使用状态机来解决这个缺点示例代码如下关键在于这 2 个函数的内部实现使用状态机每次只执行一个状态的代码减少每次执行的时间代码如下2.FreeRTOS系统2.1 多任务系统2.2 互斥操作2.3 同步操作1.裸机程序设计模式裸机程序的设计模式可以分为轮询、前后台、定时器驱动、基于状态机。前面三种方法都无法解决一个问题假设有 A、B 两个都很耗时的函数无法降低它们相互之间的影响。第 4 种方法可以解决这个问题但是实践起来有难度假设一位职场妈妈需要同时解决 2 个问题给小孩喂饭、回复工作信息场景如图所示后面将会演示各类模式下如何写程序1.1 轮询模式示例代码如下在 main 函数中是一个 while 循环里面依次调用 2 个函数这两个函数相互之间有影响如果“喂一口饭”太花时间就会导致迟迟无法“回一个信息”如果“回一个信息”太花时间就会导致迟迟无法“喂下一口饭”使用轮询模式编写程序看起来很简单但是要求 while 循环里调用到的函数要执行得非常快在复杂场景里反而增加了编程难度1.2 前后台所谓“前后台”就是使用中断程序。假设收到同事发来的信息时电脑会发出“滴”的一声这时候妈妈才需要去回复信息示例程序如下main 函数里 while 循环里的代码是后台程序平时都是 while 循环在运行当同事发来信息电脑发出“滴”的一声触发了中断。妈妈暂停喂饭去执行“滴_中断”给同事回复信息在这个场景里给同事回复信息非常及时即使正在喂饭也会暂停下来去回复信息。“喂一口饭”无法影响到“回一个信息”。但是如果“回一个信息”太花时间就会导致 “喂一口饭”迟迟无法执行。继续改进假设小孩吞下饭菜后会发出“啊”的一声妈妈听到后才会喂下一口饭。喂饭、回复信息都是使用中断函数来处理。示例程序如下main 函数中的 while 循环是空的程序的运行靠中断来驱使。如果电脑声音“滴”、小孩声音“啊”不会同时、相近发出那么“回一个信息”、“喂一口饭”相互之间没有影响。在不能满足这个前提的情况下比如“滴”、“啊”同时响起先“回一个信息”时就会耽误“喂一口饭”这种场景下程序遭遇到了轮询模式的缺点函数相互之间有影响1.3 定时器驱动定时器驱动模式是前后台模式的一种可以按照不用的频率执行各种函数。比如需要每 2 分钟给小孩喂一口饭需要每 5 分钟给同事回复信息。那么就可以启动一个定时器让它每 1 分钟产生一次中断让中断函数在合适的时间调用对应函数。示例代码如下main 函数中的 while 循环是空的程序的运行靠定时器中断来驱使。 ◆ 定时器中断每 1 分钟发生一次在中断函数里让 cnt 变量累加代码第 14 行第 15 行进行求模运算如果对 2 取模为 0就“喂一口饭”。这相当于每发生 2 次中断就“喂一口饭”第 19 行进行求模运算如果对 5 取模为 0就“回一个信息”。这相当于每发生 5 次中断就“回一个信息”。这种模式适合调用周期性的函数并且每一个函数执行的时间不能超过一个定时器周期。如果“喂一口饭”很花时间比如长达 10 分钟那么就会耽误“回一个信息”反过来也是一样的如果“回一个信息”很花时间也会影响到“喂一口饭”这种场景下程序遭遇到了轮询模式的缺点函数相互之间有影响1.4 基于状态机当“喂一口饭”、“回一个信息”都需要花很长的时间无论使用前面的哪种设计模式都会退化到轮询模式的缺点函数相互之间有影响。可以使用状态机来解决这个缺点示例代码如下在 main 函数里还是使用轮询模式依次调用 2 个函数关键在于这 2 个函数的内部实现使用状态机每次只执行一个状态的代码减少每次执行的时间代码如下以“喂一口饭”为例函数内部拆分为 4 个状态舀饭、喂饭、舀菜、喂菜。每次执行“喂一口饭”函数时都只会执行其中的某一状态对应的代码。以前执行一次“喂一口饭”函数可能需要 4 秒钟现在可能只需要 1 秒钟就降低了对后面“回一个信息”的影响同样的“回一个信息”函数内部也被拆分为 3 个状态查看信息、打字、发送。每次执行这个函数时都只是执行其中一小部分代码降低了对“喂一口饭”的影响使用状态机模式可以解决裸机程序的难题假设有 A、B 两个都很耗时的函数怎样降低它们相互之间的影响。但是很多场景里函数 A、B 并不容易拆分为多个状态并且这些状态执行的时间并不好控制。所以这并不是最优的解决方法需要使用多任务系统2.FreeRTOS系统2.1 多任务系统对于裸机程序无论使用哪种模式进行精心的设计在最差的情况下都无法解决这个问题假设有 A、B 两个都很耗时的函数无法降低它们相互之间的影响。使用状态机模式时如果函数拆分得不好也会导致这个问题。本质原因是函数是轮流执行的。假设“喂一口饭”需要 t1~t5 这 5 段时间“回一个信息需要”ta~te 这 5 段时间轮流执行时先执行完 t1~t5再执行 ta~te如下图所示对于职场妈妈她怎么解决这个问题呢她是一个眼明手快的人可以一心多用她这样做左手拿勺子给小孩喂饭右手敲键盘回复同事两不耽误小孩“以为”妈妈在专心喂饭同事“以为”她在专心聊天但是脑子只有一个啊虽然说“一心多用”但是谁能同时思考两件事只是她反应快上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩下一秒钟考虑给同事回复什么信息本质是交叉执行t1~t5 和 ta~te 交叉执行如下图所示基于多任务系统编写程序时示例代码如下第 21、22 行创建 2 个任务第 25 行启动调度器基于多任务系统编写程序时反而更简单了1) 上面第 2~8 行是“喂饭任务”的代码2) 第 10~16 行是“回信息任务”的代码编写它们时甚至都不需要考虑它和其他函数的相互影响。就好像有 2 个单板一个只运行“喂饭任务”这个函数、另一个只运行“回信息任务”这个函数。多任务系统会依次给这些任务分配时间你执行一会我执行一会如此循环。只要切换的间隔足够短用户会“感觉这些任务在同时运行”。如下图所示2.2 互斥操作多任务系统中多个任务可能会“同时”访问某些资源需要增加保护措施以防止混乱。比如任务 A、B 都要使用串口能否使用一个全局变量让它们独占地、互斥地使用串口示例代码如下程序的意图是task_A 打印“0123456789”task_B 打印“abcdefghij”。在 task_A 或task_B 打印的过程中另一个任务不能打印以避免数字、字母混杂在一起比如避免打印这样的字符“012abc”第 6 行使用全局变量 g_canuse 实现互斥打印它等于 1 时表示“可以打印”。在进行实际打印之前先把 g_canuse 设置为 0目的是防止别的任务也来打印这个程序大部分时间是没问题的但是只要它运行的时间足够长就会出现数字、字母混杂的情况。下图把 uart_print 函数标记为①~④个步骤如果 task_A 执行完①进入 if 语句里面执行②之前被切换为 task_B在这一瞬间g_canuse 还是 1task_B 执行①时也会成功进入 if 语句假设它执行到③在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为 task_Atask_A 继续从上次被暂停的地方继续执行即从②那里继续执行成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为“abc0123456789”是不是“①判断”、“②清零”间隔太远了uart_print 函数改进成如下的代码呢即使改进为上述代码仍然可能产生两个任务同时使用串口的情况。因为“①减一”这个操作会分为 3 个步骤a.从内存读取变量的值放入寄存器里b.修改寄存器的值让它减一c.把寄存器的值写到内存上的变量上去如果task_A执行完步骤a、b还没来得及把新值写到内存的变量里就被切换为task_B在这一瞬间g_canuse 还是 1task_B 执行①②时也会成功进入 if 语句假设它执行到③在 printf 打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为 task_Atask_A 继续从上次被暂停的地方继续执行即从步骤 c 那里继续执行成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为“abc0123456789”。 从上面的例子可以看到基于多任务系统编写程序时访问公用的资源的时候要考虑“互斥操作”。任何一种多任务系统都会提供相应的函数2.3 同步操作如果任务之间有依赖关系比如任务 A 执行了某个操作之后需要任务 B 进行后续的处理。如果代码如下编写的话任务 B 大部分时间做的都是无用功上述代码中在任务 A 没有设置 flag 为 1 之前任务 B 的代码都只是去判断 flag。而任务 A、B 的函数是依次轮流运行的假设系统运行了 100 秒其中任务 A 总共运行了 50秒任务 B 总共运行了 50 秒任务 A 在努力处理复杂的运算任务 B 仅仅是浪费 CPU 资源如果可以让任务 B 阻塞即让任务 B 不参与调度那么任务 A 就可以独占 CPU 资源加快处理复杂的事情。当任务 A 处理完事情后再唤醒任务 B。示例代码如下第 15 行任务 B 运行时等待信号量不成功时就会阻塞不在参与任务调度第 7 行任务 A 处理完复杂的事情后释放信号量会唤醒任务 B第 16 行任务 B 被唤醒后从这里继续运行。 在这个过程中任务 A 处理复杂事情的时候可以独占 CPU 资源加快处理速度