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单片机程序设计中的“分层思想”

2014-8-14 15:51 2575 3 11 分类: MCU/ 嵌入式

分层的思想,并不是什么神秘的东西,事实上很多做项目的工程师本身自己也会在用。看了不少帖子都发现没有提及这个东西,然而分层结构确是很有用的东西,参透后会有一种恍然大悟的感觉。如果说我不懂LCD怎么驱动,那好办,看一下datasheet,参考一下别人的程序,很快就可以做出来。但是如果不懂程序设计的思想的话,会给你做项目的过程中带来很多很多的困惑。

参考了市面上各种各样的嵌入式书籍,MCS-51,AVR,ARM等都有看过,但是没有发现有哪本是介绍设计思想的,就算有也是凤毛麟角。写程序不难,但是程序怎么样才能写的好,写的快,那是需要点经验积累的。结构化模块化的程序设计的思想,使最基本的要求。然而这么将这个抽象的概念运用到工程实践当中恩?那需要在做项目的过程中经历磨难,将一些东西总结出来,抽象升华为理论,对经验的积累和技术的传播都大有裨益。所以在下出来献丑一下,总结一些东西。

 

有两个设计思想是非常重要的。

 

一个就是“时间片轮的设计思想”,这个对实际中解决多任务问题非常有用,通常可以用这个东西来判断一个人是单片机学习者,还是一个单片机工程师。这个必须掌握。由于网上介绍这个的帖子也不少,所以这里就不多说了。

 

第二个就是“分层屏蔽的设计思想”。下面用扫描键盘程序例子作为引子,引出今天说的东西。

 

问题的提出

 

单片机学习板一般为了简单起见,将按键分配的很好,例如整个4*4的键盘矩阵分配到P1口上面,8条控制线,刚好。这样的话程序也非常好写。只需要简单的

 

KEY_DAT = P1;

 

端口的数据就读进来了。

 

诚然,现实中没有这么好的事情。在实际的项目应用当中,单片机引脚的复用相当厉害,这跟那些所谓的单片机学习板就有很大的差别了。

 

另外一个原因,一般设计来说,是“软件配合硬件”的设计流程,简单点说就是,先确定好硬件原理图,硬件布线,最后才是软件的开发,因为硬件修改起来比较麻烦,相对来说软件修改的时候比较好改。这个就是中国传统的阴阳平衡哲学原理。硬件设计和软件设计本来就是鱼和熊掌的关系,两者不可兼得。方便了硬件设计,很可能给写软件带来很大的麻烦。反过来说,方便了软件设计,硬件设计也会相当的麻烦。如果硬件设计和软件设计同时方便了,那只有两种可能,一是这个设计方案非常简单,二是设计师已经达到了一个非常高的境界。我们不考虑那么多情况,单纯从常用的实际应用的角度来看问题。

 

硬件为了布线的方便,很多时候会可能将IO口分配到不同的端口上面,例如上面说的4*4键盘,8根线分别分配到P0 P1 P2 P3上面去了。那么,开发板的那些扫描键盘程序可以去见鬼了。怎么扫按键?我想起了我刚开始学习的时候,分成3段非常相似的程序,一个一个按键的扫描的经历……

 

或许有人不甘心,“那些东西我花了很长时间学习的,也用的好好的,怎么能说一句不用就不用?”虽然有点残忍,但是我还是想说“兄弟,接受现实吧,现实是残酷的……”

 

不过,人区别于低等动物的差别,是人会创造,在碰到困难的时候会想办法解决,于是我们开始了沉思……

 

最后我们引入初中数学学的“映射”的概念来解决问题。基本思想就是,将不同端口的按键映射到相同端口上面。

 

这样按键扫描程序就分成3个层次了。

 

1)最底层的是硬件层,完成端口扫描,20ms延时消抖,将端口的数据映射到一个KEY_DAT寄存器上面,KEY_DAT作为对上层驱动层的一个接口。

 

2) 中间的一层是驱动层,驱动层只对KEY_DAT寄存器的数值进行操作。简单点说,我们无论底层的硬件是怎么接线的,在驱动层都不需要关心,只需要关心 KEY_DAT这个寄存器的数值是什么就可以了。这样出来的间接效果就是“屏蔽了底层硬件的差异”,所以驱动层写的程序就可以通用了。

 

驱动层的另外一个功能是为了上层提供消息接口。我们用了类似window程序的消息的概念。这里可以提供一些按键消息,例如:按下消息,松开消息,长按键消息,长按键的时候的步进消息,等等。

 

3)应用层。这里就是根据项目的不同分别写按键功能程序,属于最上层的程序。它使用的是驱动层提供的消息接口。在应用层写程序的思想就是,我不管下层是怎么工作的,我只关心按键消息。有按键消息来的时候我就执行功能,没有消息来的时候,我就什么也不做。

 

下面用一个简单的常用的例子,说明我们这个设计思想的用法。

 

秒表调整时间的时候,要求按着某个按键不放,时间能连续的向上增加。这个东西很实用,实际的家电中用途很广泛。

 

在看下面的东西之前,大家可以想一下,这东西难吗?相信大家都会很响亮的回答,“不难!!”,然而我再问:“这东西麻烦吗?”我相信很多人肯定会说“很麻烦!!”这不禁让我想起开始学单片机的时候写这种按键的那程序,乱七八糟的结构。如果不相信的话,可以自己用51写一下哦,那样就更加能体会本文说的分层结构的优越性。

 

项目要求:

 

两个按键,分别分配在P10和P20,分别是“加”“减”按键,要求长按键的时候实现连续加和连续减的功能。

 

实战:

 

假设:

 

按键上拉,没有按键的时候高电平,有按键的时候低电平,另外,为了突出问题,这里没有将延时消抖的程序写上去,在实际项目中应该加上。C语言函数参数的传递多种多样,这里作为例子,用了最简单的全局变量来传递参数,当然你也可以用unsigned char ReadPort(void)返回一个读键结果,甚至还可以void ReadPort(unsigned char *pt)用一个指针变量传递地址而达到直接修改变量的目的。方法是多种多样的,这个决定于每个人的程序风格。

 

1)开始写硬件层程序,完成映射

 

#define KYE_MIN 0X01

 

#define KEY_PLUS 0X01

 

unsigned char KeyDat;

 

void ReadPort(void)

 

{

 

if (P1 KEY_PLUS == 0 ){

 

KeyDat |= 0x01 ;

 

}

 

if (P2 KEY_MIN == 0 ){

 

KeyDat |= 0x02 ;

 

}

 

}

 

C语言应该很容易看懂吧?如果KEY_PLUS按下,P10口读到低电平,则P1 KEY_PLUS的结果为0,满足if的条件,进入KeyDat |= 0x01是将KeyDat的bit0置一,也就是说,将KEY_PLUS映射到KeyDat的bit0

 

KEY_MIN是同样的道理映射到KeyDat的bit1

 

如果KeyDat的bit0为1,则说明KEY_PLUS按下,反则亦然。

 

不需要想的很神秘,映射就是这么一回事。如果还有其他按键的话,用同样办法,将他们全部映射到KeyDat上面。

 

2)驱动层程序编写

 

如果将KeyDat想象成P1口,那么这个跟学习板那标准的扫描程序不就是一样了吗?对的,这个就是底层映射的目的了。

 

3)应用层程序编写

 

根据消息

 

硬件层是必须分离出来,然而驱动层和应用层的要求就不那么严格了,事实上一些简单的项目没有必要将这两层分离开来,根据实际应用灵活应对就可以了。其实这样写程序是很方便移植的,根据板子的不同而适当的修改一下硬件层那个ReadPort函数就完成了,驱动层和应用层很多代码可以不经过修改直接用,很能提高开发效率的。当然这个按键程序会存在一定的问题,特别是遇到常闭按键和点触按键的混合使用的场合。这个留给大家自己去想了,反正问题总是能找到解决办法的,尽管方法有好有坏。

 

结束语

 

以按键为媒介,介绍了程序设计当中的“分层屏蔽” 的思想的原理和应用,按键只是一个例子,其实分层的思想普遍存在着程序设计当中。细心留意一下的话发现其实window,linux,网络的tcp/ip 结构全部都是分层的。这东西不是绣花枕头,而是实际用在工程上面的,只是平时不多见帖子介绍,或者没有人特意这样来总结,又或者是有经验的工程师作为藏在心中的法宝吧,这个就不得而知。

 

 

 

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文章评论 8条评论)

登录后参与讨论

wjx943_536273043 2018-10-7 19:04

谢谢分享有用的资料

hbthgs_588794194 2018-10-6 12:41

谢谢分享有用的资料。

1479347752_884727377 2015-7-18 09:42

谢谢,老师。

billzhu_345737527 2014-8-23 11:34

很赞!

1205235907_459730674 2014-8-19 09:45

受益匪浅!

gaoshan_718_267291122 2014-8-18 13:48

学习,谢谢!

630915868_872976441 2014-8-18 12:14

时间片轮的设计思想

gltzhouli_245628853 2014-8-18 11:18

不错,对于学过计算机操作系统的工程师,转行或者玩嵌入式系统自然而然的会带入这种设计及思路,也是模块化编程的思想;做法的最大好处是只要将接口[出入]定义好了,程序具有通用性;例如,我在处理显示模块时,所有与显示有关的[点阵处理,定显位置以及中英文等]做成一些小程序,作为显示基本模块,只是显示器的初始化与硬件有关,显示在屏幕上的位置与需要有关,这两个改变了所有显示屏[BWLCD,TFTLCD]操作是一样的,不同的仅仅是大小[XY像素],色彩或灰度而已。 说白了,软工应该学会系统设计的概念,这样在有一定积累后会成为高级人才的。
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