單片機裸機程序設計架構

文章目錄

- - 一、前后臺系統（Foreground-Background System）
  - 二、時間片輪詢架構（Time-Slicing Polling）
  - 三、狀態機架構（State Machine）
  - 四、事件驅動架構（Event-Driven）
  - 五、架構設計原則
  - 總結

單片機裸機程序（無操作系統的單片機程序）的架構設計直接影響程序的
可靠性、可維護性和擴展性。由于單片機資源有限（內存、算力、外設等），裸機架構需遵循“簡潔高效、任務可控”的原則，常見架構主要有以下幾種：

一、前后臺系統（Foreground-Background System）

最基礎、最常用的架構，適合任務簡單、實時性要求不高的場景。

前臺（Foreground）：由中斷服務程序（ISR）組成，負責處理緊急事件（如外部觸發、定時器溢出、數據接收等），優先級最高，執行時間需盡可能短（避免阻塞其他中斷）。
后臺（Background）：即主循環（main loop），負責處理非緊急的常規任務（如數據處理、狀態刷新、外設控制等），按順序循環執行。
協作方式：前臺通過設置標志位（flag）通知后臺處理任務，后臺在主循環中輪詢標志位，觸發對應處理邏輯。

示例流程：

// 全局標志位（前臺通知后臺的“信號”）
uint8_t uart_rx_flag = 0;  // 串口接收完成標志
uint8_t key_press_flag = 0; // 按鍵按下標志int main(void) {// 初始化：外設、中斷、全局變量等init_uart();init_key();init_led();while(1) {  // 后臺主循環if(uart_rx_flag) {uart_rx_flag = 0;process_uart_data();  // 處理串口數據（非緊急）}if(key_press_flag) {key_press_flag = 0;handle_key_event();   // 處理按鍵事件（非緊急）}update_led_status();      // 周期性刷新LED（常規任務）}
}// 串口接收中斷服務程序（前臺）
void UART_IRQHandler(void) {if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {uart_rx_buf = USART_ReceiveData(USART1);uart_rx_flag = 1;  // 設置標志位，通知后臺處理USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);}
}

優點：結構簡單，資源占用少，易于實現。
缺點：后臺任務按順序執行，若某個任務耗時過長，會阻塞后續任務，實時性差。

二、時間片輪詢架構（Time-Slicing Polling）

適合多任務周期性執行的場景（如工業控制、傳感器采集），通過定時器劃分“時間片”，按固定周期輪流執行任務。

核心思想：用定時器（如SysTick）產生固定間隔的中斷（如1ms），在中斷中更新“系統時基”，并為每個任務分配“時間片”（執行周期）。
任務調度：主循環中輪詢所有任務，若任務的“時間片到期”（當前時基達到任務周期），則執行該任務，執行完成后等待下一個周期。
提示：下面代碼中有Bug: ------- sys_tick 溢出就不準拉
示例流程：

// 任務結構體：包含周期、上次執行時間、處理函數
typedef struct {uint32_t period;       // 任務周期（ms）uint32_t last_run;     // 上次執行時間（時基）void (*func)(void);    // 任務處理函數
} TaskType;// 系統時基（由定時器中斷更新）
uint32_t sys_tick = 0;// 任務列表
TaskType tasks[] = {{10, 0, task_sensor_read},  // 10ms讀取一次傳感器{100, 0, task_data_report}, // 100ms上報一次數據{500, 0, task_led_flash},   // 500ms閃爍一次LED
};
#define TASK_NUM (sizeof(tasks)/sizeof(TaskType))// 定時器中斷（1ms觸發一次，更新時基）
void SysTick_Handler(void) {sys_tick++;
}int main(void) {init_sys();SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);  // 配置1ms時基while(1) {for(int i=0; i<TASK_NUM; i++) {// 檢查任務是否到執行時間if(sys_tick - tasks[i].last_run >= tasks[i].period) {tasks[i].last_run = sys_tick;  // 更新上次執行時間tasks[i].func();               // 執行任務}}}
}// 任務實現示例
void task_sensor_read(void) {// 讀取溫濕度傳感器...
}

優點：任務執行周期可控，避免單任務阻塞，適合周期性任務。
缺點：任務仍在主循環中執行，若某任務執行時間超過其周期，會影響后續任務；無優先級區分，實時性中等。

三、狀態機架構（State Machine）

適合邏輯復雜、狀態多變的單任務場景（如設備啟停流程、人機交互），將任務分解為“狀態”，通過條件判斷切換狀態，避免嵌套邏輯混亂。

核心思想：將任務劃分為多個“狀態”（如初始化、運行、暫停、故障），每個狀態對應特定的處理邏輯，通過“狀態變量”記錄當前狀態，在主循環中根據輸入（事件）切換狀態。
分類：
- 單狀態機：單個任務的狀態管理（如一個傳感器的工作流程）；
- 層次狀態機（HSM）：復雜任務的狀態嵌套（如主狀態包含子狀態）。

示例流程：

// 定義狀態枚舉
typedef enum {DEVICE_INIT,    // 初始化狀態DEVICE_RUN,     // 運行狀態DEVICE_PAUSE,   // 暫停狀態DEVICE_ERROR    // 錯誤狀態
} DeviceState;DeviceState current_state = DEVICE_INIT;  // 當前狀態
uint8_t error_flag = 0;                   // 錯誤標志（觸發狀態切換）int main(void) {while(1) {switch(current_state) {case DEVICE_INIT:if(init_success()) {  // 初始化成功current_state = DEVICE_RUN;start_device();} else {current_state = DEVICE_ERROR;  // 初始化失敗}break;case DEVICE_RUN:if(error_flag) {current_state = DEVICE_ERROR;  // 運行中出錯error_flag = 0;} else if(key_pause_pressed()) {current_state = DEVICE_PAUSE;  // 暫停按鍵觸發} else {run_task();  // 執行運行狀態的邏輯}break;case DEVICE_PAUSE:if(key_resume_pressed()) {current_state = DEVICE_RUN;  // 恢復運行}break;case DEVICE_ERROR:handle_error();  // 錯誤處理（如報警、重啟）break;}}
}

優點：邏輯清晰，避免深層嵌套（if-else/switch-case），易于調試和擴展。
缺點：主要適用于單任務，多任務需結合其他架構（如時間片）。

四、事件驅動架構（Event-Driven）

適合多外部事件響應的場景（如按鍵、通信、傳感器觸發），基于“事件”觸發任務，而非輪詢，提高CPU效率。

核心思想：定義“事件”（如按鍵按下、數據接收、超時等），每個事件關聯對應的“回調函數”；通過中斷或輪詢檢測事件，觸發回調執行。
實現方式：用事件隊列（FIFO）存儲事件，主循環不斷從隊列中取出事件并分發處理，支持事件優先級。

示例流程：

// 事件類型定義
typedef enum {EVENT_KEY_PRESS,    // 按鍵事件EVENT_UART_RX,      // 串口接收事件EVENT_TIMEOUT       // 超時事件
} EventType;// 事件結構體
typedef struct {EventType type;     // 事件類型void* data;         // 事件附加數據（如按鍵值、接收數據）
} Event;// 事件隊列（FIFO）
#define EVENT_QUEUE_SIZE 10
Event event_queue[EVENT_QUEUE_SIZE];
uint8_t queue_head = 0, queue_tail = 0;// 入隊事件
void event_enqueue(Event event) {uint8_t next_tail = (queue_tail + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE;if(next_tail != queue_head) {  // 隊列未滿event_queue[queue_tail] = event;queue_tail = next_tail;}
}// 主循環：事件分發
int main(void) {init_periph();  // 初始化外設和中斷while(1) {if(queue_head != queue_tail) {  // 隊列非空Event event = event_queue[queue_head];queue_head = (queue_head + 1) % EVENT_QUEUE_SIZE;  // 出隊// 分發事件到對應處理函數switch(event.type) {case EVENT_KEY_PRESS:handle_key((uint8_t*)event.data);break;case EVENT_UART_RX:handle_uart((uint8_t*)event.data);break;case EVENT_TIMEOUT:handle_timeout();break;}}}
}// 按鍵中斷：觸發事件入隊
void KEY_IRQHandler(void) {Event event;event.type = EVENT_KEY_PRESS;event.data = (void*)get_key_value();  // 獲取按鍵值event_enqueue(event);  // 事件入隊
}