单片机软件架构分层单片机程序基本框架

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charlesc 2023-08-07 23:18:26

文章标签 单片机软件架构分层单片机嵌入式定时任务事件处理 文章分类 架构后端开发

CAFrame单片机程序框架

简介

程序运行优先级
CAFrame配置
通用事件应用

开关输入接口

事件驱动方式
定时器内扫描方式
函数说明

开关输出接口

函数说明

定时器接口

函数说明

标准驱动函数
框架事件触发接口
定时任务管理

描述
接口函数

简介

CAFrame 单片机C语言程序开发框架可用于不同的单片机，尤其适合8位小系统的软件开发。框架将硬件驱动和应用逻辑的实现分开，以事件驱动的方式编写应用程序，从而使得应用功能的编写就如同VB6程序那样简单易维护。框架程序共由三个头文件（CAFrame.h Cfg.h Driver.h）和三个源文件(Driver.c Frame.c App.c) 组成，其层次结构如图：

单片机软件架构分层单片机程序基本框架_嵌入式

Driver.c中的代码用于处理与硬件相关的底层驱动，Driver.h文件中声明与硬件相关的一些符号定义和用户自定义驱动函数的声明
驱动程序的编写主要通过修改这两个文件来实现.
CAFrame.h是框架标准符号、结构、函数的声明处，Frame.c是框架的实现文件，无论任何时候都不应该修改这两个文件。
注意： CAFrame.h文件中声明的以[drv_]为前缀的函数是框架所必须的驱动接口函数，这些函数在driver.c中必须实现.
App.c是应用逻辑实现文件，文件需要实现一个固定的函数InitApp,此函数在框架初始化后第一个被调用，在这个函数中设置好所有需要的事件处理函数。作为一个完整的app.c文件，下面的示例说明了开发者需要做些什么

#include "CAFrame.h"
 	void TimerEvent(void)//定时器事件处理函数
 	{
 		LED_FLASH;
 	}
 	void InitApp(void)
 	{
 		frm_install_timer_event(0,200,TimerEvent);//安装0号定时器事件处理函数,定时触发周期为200ms
 	}

程序运行优先级

CAFrame并非是一个操作系统,而是一个典型的前后台程序结构，程序运行优先级只有中断级（INT_LEVEL）和应用级（APP_LEVEL). driver.c中一部分硬件驱动程序在中断中调用,它们工作在INT_LEVEL级,但这些对于APP来说是透明的，无需考虑的，所有的接口函数以及用户代码（app.c)均运行在同一个优先级（APP_LEVEL），为此用户程序不会相互中断。

CAFrame配置

CAFrame的配置十分简单，Cfg.h文件中TIMER_MAX_COUNT是指定在APP中用到的最大定时器个数，INPUT_MAX_COUNT是系统输入口个数 EVENT_MAX_COUNT为通用事件ID个数。下面的“通用事件ID定义列表中”列出所用到的所有通用事件ID，值从0递增，但要保证小于EVENT_MAX_COUNT.

#define	MANAGE_MAIN	1		//主程序托管
	
	//支持定时器个数，在应用程序中定时器编号从0开始小于此值
	#define TIMER_MAX_COUNT	4							//定时器个数
	
	#define INPUT_MAX_COUNT 2							//输入口个数
	
	#define EVENT_MAX_COUNT 2							//通用事件个数
	
	//通用事件ID定义列表
	#define EVENT_ADC_ID 0		
	#define EVENT_UART_ID 1

MANAGE_MAIN 的值决定整个项目入口函数(main)是否托管给框架，如果值是1，就等于用户无需实现main函数，将main函数托管给了框架。
如果MANAGE_MAIN定义为0,称为非托管应用，需要在用户程序中实现一个如下的main函数:

int main(void)
	{
		CAFrameInit();//框架初始化
		
		while(1)
		{
			//..   //主循环中的其它任务
			
			CAFramePoll();	//框架循环
		}
		return 0;
	}

通用事件应用

事件是框架中驱动层与应用层同步的主要方式，框架支持三种事件，分别是定时器事件、输入事件和通用事件，定时器事件和输入事件是框架固定的

特殊事件，而通用事件是用户编写外设驱动与应用层同步的主要方式，如UART,ADC的中断中可以通过通用事件的方式在应用层触发事件。通用事件运行原理如图： \n

单片机软件架构分层单片机程序基本框架_单片机软件架构分层_02

首先需要在配置文件(cfg.h)中定义事件ID,如

#define EVENT_UART_ID 1

然后在驱动中断中触发事件：

ISR
	{
		...
		frm_set_event(EVENT_UART_ID);
		...
	}

如果在InitApp函数中已经用frm_install_event安装了事件处理函数，那么中断中一触发这个事件，
框架会在中断结束后在后台（APP_LEVEL级）调用事件处理函数。

开关输入接口

开关输入处理方式有两种

事件驱动方式

示例如下(app.c)：

void InputEvent1(uint16_t x)
	{
		//x为事件产生前的电平状态保持时间
		LED_FLASH;
	}	 
	void InitApp(void)
	{
		frm_install_input_event(IO_X1,InputEvent1,5,ET_ALL_EDGE);//1号输入口状态发生改变时调用InputEvent1函数
		// ... 其它事件函数的安装
	}

定时器内扫描方式

在定时器内通过drv_input或frm_input函数检测输入状态，并作出相应的操作;

如果使用frm_input函数，则必须在InitApp中将相应端口输入事件初始化成ET_DISABLE模式,如： frm_install_input_event(IO_X1,0,5,ET_DISABLE);

函数说明

安装开关输入事件

void frm_install_input_event  ( uint8_t  port,  
  void(*)(uint16_t)  fn,  
  uint8_t  filter,  
  uint8_t  type  
 )

参数
port 端口号:IO_X1 ~ IO_X6
fn 事件处理函数，原型: void func(uint16_t t)
参数t为之前电平状态保持的时间(ms)，如果保持时间大于0xFFFF则t返回0xFFFF;
filter 滤波计数器，以毫秒为单位的信号确认时间
type
ET_FALLING_EDGE：下降沿触发
ET_RISING_EDGE：上升沿触发
ET_ALL_EDGE：边沿触发
ET_DISABLE：事件触发禁止(检测应用时使用)

读输入

uint8_t drv_input  ( uint8_t  port )

读取开关输入端口状态，直接读取端口当前的输入信号，在驱动(driver.c)中必须实现此函数。
参数
port 端口:IO_X1 ~ IO_X6
返回有信号返回1 无信号返回0

读输入[滤波]

uint8_t frm_input  ( uint8_t  port )

读取开关输入端口状态，用于读取滤波后的开关输入状态
参数
port 端口:IO_X1 ~ IO_X6
返回有信号返回1 无信号返回0

开关输出接口

输出控制函数包含开关量输出接口函数drv_output和模拟量输出接口函数drv_dac_output.

函数说明

void drv_output  ( uint8_t  port,    uint8_t  val   )

开关量输出控制函数，在驱动(driver.c)中必须实现此函数。
参数
port 输出端口号(IO_Y1 ~ IO_Y6)
val 输出值 1：输出继电器吸合 0：输出继电器断开

定时器接口

定时器操作十分简单，一个最简单的示例如下(app.c)：

void TimerEvent1(void)
	{
		LED_FLASH;//发光管闪烁
	}	
	void InitApp(void)
	{
		frm_install_timer_event(0,300,TimerEvent1);//安装0号定时器事件处理函数,定时触发周期为300ms
		// ... 其它初始化操作
	}

要注意frm_install_timer_event函数第一个参数要小于在Cfg.h中定义的TIMER_MAX_COUNT

函数说明

安装定时器函数

void frm_install_timer_event  ( uint8_t  id,  
  uint16_t  tms,  
  void(*)(void)  fn  
 )

参数
id 定时器编号 0开始计数的编号
tms 定时器事件产生周期(毫秒为单位)
fn 定时事件处理函数原型:void func(void)

禁止指定定时器

void frm_timer_disable  ( uint8_t  id )

参数
id 定时器编号

开启指定定时器

void frm_timer_enable  ( uint8_t  id )

参数
id 定时器编号

定时器重新开始计数

void frm_timer_reset  ( uint8_t  id )

参数
id 定时器编号

标准驱动函数

为了使驱动层和应用层接口程序标准化，框架定义了一些标准化的函数，框架移植到新的硬件上时应在driver.c中实现这些函数功能。

框架初始化前调用

void drv_init (void)
用于初如化硬件设备。在驱动(driver.c)中必须实现此函数。

看门狗复位

void drv_wdt_reset (void)
在框架主循环中调用，在驱动(driver.c)中必须实现此函数。

进入临界段

void drv_enter_critical (void)
安全关闭中断，在执行一段不希望被中断的代码时使用，此函数需与drv_exit_critical配对使用。在驱动(driver.c)中必须实现此函数。

退出临界段

void drv_exit_critical (void)
退出中断保护代码段,此函数需与drv_enter_critical配对使用。在驱动(driver.c)中必须实现此函数。

安全读取EEPROM

void drv_eeprom_read  ( uint16_t  addr,  
  uint8_t *  buf,  
  uint8_t  size  
 )

参数
addr 读取地址
buf 读取缓冲区
size 读取长度(字节)

安全写入EEPROM接口函数

void drv_eeprom_write  ( uint16_t  addr,  
  uint8_t *  buf,  
  uint8_t  size  
 )

参数
addr 写入地址
buf 写入缓冲区
size 写入长度(字节)

框架事件触发接口

初始化框架

void CAFrameInit  ( void   )

托管应用中无需调用

注解：需要在main函数开始处调用

框架功能轮循处理

void CAFramePoll  ( void   )

托管应用中无需调用

注解：main函数主循环中调用

查询指定事件的触发状态

uint8_t frm_get_event_state  ( uint8_t  id )

参数
id 查询事件ID

框架1ms滴答驱动

void frm_inc_timer_tick  ( void   )

此函数必须在驱动中每一毫秒调用一次

注解：用于支持框架的输入检测和定时触发功能

安装通用事件

void frm_install_event  ( uint8_t  id,  
  void(*)(void)  fn  
 )

参数
id 事件ID
fn 事件处理函数原型：void func(void)

触发通用事件

void frm_set_event  ( uint8_t  id )

此函数通常在驱动的中断中调用，用于实现对应事件的触发
参数
id 触发事件ID

定时任务管理

描述

定时任务用于实现延时分步操作功能。例如我们需要实现这样一个功能：在一个温控系统中，电加热棒打开前先打开风机再延时10秒后打开电热，关闭时先关闭电加热棒，再延时30秒关风机，并且要求关闭后在3分钟内不得再次打开。使用定时任务实现此功能的代码如下：

#include "CAFrame.h"

	//定时任务对象定义
	TIMER_TASK g_OpenTask,g_CloseTask;
	
	uint8_t g_RunStatus=0;			//当前运行状态
	uint8_t g_ControlStatus=0;	//当前控制输入状态
	
	void Timer1Event(void)
	{
		LED_TOGGLE; 
		
		printf("RunStatus:%d,ControlStatus:%d\r\n",g_RunStatus,g_ControlStatus);
	}
	
	//开机任务处理函数
	void OpenTask(PTIMER_TASK pTask)
	{
		TT_BEGIN(pTask); 

		drv_output(IO_Y1,1);//打开风机

		TT_DELAY(pTask,10);//延时10秒
		
		drv_output(IO_Y2,1);//打开电热
		g_RunStatus=1;//开机完成状态

		TT_END(pTask);
	}
	
	//关机任务处理函数
	void CloseTask(PTIMER_TASK pTask)
	{
		TT_BEGIN(pTask);

		drv_output(IO_Y2,0);//关闭电热
		
		TT_DELAY(pTask,30); //延时30秒
		
		drv_output(IO_Y1,0);//关闭风机
		
		TT_DELAY(pTask,180);//等待3分钟避免频繁启动

		g_RunStatus=0;//关机完成状态
		
		TT_END(pTask);
	}
	
	//定时器1事件处理函数
	void TaskTimerEvent(void)
	{
		//注：如果定时器所邦定的定时任务处于执行状态，则以下代码不会得到执行
		//只有所有邦定到此定时器的定时任务均处于停止时才会执行此函数
		
		//如果控制状态改变
		if(g_ControlStatus != g_RunStatus)
		{
			if(g_RunStatus)//正处在开机状态
				frm_begin_timer_task(&g_CloseTask);
			else
				frm_begin_timer_task(&g_OpenTask);
		}
	}
	
	void InputEvent1(uint16_t x)
	{
		//控制开关状态切换
		g_ControlStatus=g_ControlStatus?0:1; 
	}
	
	void InitApp(void)
	{
		//普通定时事件，此定时器与此功能无关，仅用于调试
		frm_install_timer_event(0,2000,Timer1Event);
		
		//控制定时器
		frm_install_timer_event(1,1000,TaskTimerEvent);
		frm_bind_timer_task(1,&g_OpenTask,OpenTask); //邦定开机任务
		frm_bind_timer_task(1,&g_CloseTask,CloseTask);//邦定关机任务
		
		//安装控制按键输入事件
		//IO_X1输入下降沿触发事件,低电平至少保持5ms
		frm_install_input_event(IO_X1,InputEvent1,5,ET_FALLING_EDGE); 
	}

接口函数

开始执行定时任务

void frm_begin_timer_task  ( PTIMER_TASK  pTask )

参数
pTask 定时任务对象地址

定时任务绑定到定时器

void frm_bind_timer_task  ( uint8_t  id,  
  PTIMER_TASK  pTask,  
  void(*)(PTIMER_TASK)  fn  
 )

参数
id 定时器序号
pTask 定时任务对象地址
fn 定时任务处理函数

停止指定的定时任务

void frm_end_timer_task  ( PTIMER_TASK  pTask )

参数
pTask 定时任务对象地址

定时任务开始处理

TT_BEGIN(T)

在定时任务处理函数的开始处调用；

注解：此函数为任务分支结构处理函数，不能在条件、循环等结构语句内使用！参数 T 定时任务对象地址

定时任务结束处理

TT_END(T)

在定时任务的结束处调用；用此宏结束的定时任务顺序执行完成后退出；

注解：此函数为任务分支结构处理函数，不能在条件、循环等结构语句内使用！参数 T 定时任务对象地址

定时任务循环处理
TT_LOOP(T)
在定时任务的结束处调用；用此宏结束的定时任务顺序执行完成后自动重新回到开始处继续执行，不会自动结束；

注解：此函数为任务分支结构处理函数，不能在条件、循环等结构语句内使用！参数 T 定时任务对象地址

)

定时任务中等待某条件

TT_WAIT(T, Y)

注解：此函数为任务分支结构处理函数，不能在条件、循环等结构语句内使用！

参数
T 定时任务对象地址
Y 条件表达式，当Y的结果为0时等待，大于0时退出等待；

定时任务中延时处理

TT_DELAY(T, Y)

注：此函数为任务分支结构处理函数，不能在条件、循环等结构语句内使用！

参数
T 定时任务对象地址
Y 延时周期，本函数将实现Y次定时器（本任务绑定的定时器）周期延时；

定时任务重新开始执行

TT_RESTART(T)

重新从TT_BEGIN处开始执行；
参数
T 定时任务对象地址

定时任务退出处理

TT_EXIT(T)

参数
T 定时任务对象地址

CAFrame源代码（包括AVR STM8 STM32F0 STM32F1示例）

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