??? 摘? 要: 通過(guò)實(shí)例說(shuō)明將事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制應(yīng)用到單片機(jī)程序中,使中斷響應(yīng)與處理程序分離,可較理想地用硬件定時(shí)代替處理程序中的軟件定時(shí),從而大幅提高系統(tǒng)對(duì)多中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力,降低多中斷系統(tǒng)調(diào)試的難度。?
??? 關(guān)鍵詞: 事件驅(qū)動(dòng)?? 單片機(jī)?? 程序設(shè)計(jì)?? 實(shí)時(shí)響應(yīng)
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1 傳統(tǒng)單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)的不足?
??? 在傳統(tǒng)的單片機(jī)程序中,通常是以“過(guò)程”和“操作”為中心的結(jié)構(gòu),程序按規(guī)定的過(guò)程順序地執(zhí)行,與外設(shè)的連接一般采用中斷方式,在中斷服務(wù)程序中完成外設(shè)的全部處理工作,主程序一般只是初始化系統(tǒng)并等待中斷的發(fā)生。這種結(jié)構(gòu)成熟、易于理解,但有如下不足:?
??? (1)受單片機(jī)性能的限制,容易造成系統(tǒng)對(duì)其它中斷的響應(yīng)變得遲緩,特別是對(duì)于中斷源較多、中斷處理耗時(shí)較多的系統(tǒng) (如:LED顯示、鍵盤(pán)掃描等);?
??? (2)中斷服務(wù)程序過(guò)長(zhǎng),在中斷服務(wù)期間系統(tǒng)無(wú)法響應(yīng)同級(jí)的中斷;?
??? (3)可能導(dǎo)致代碼重入,增大堆棧開(kāi)銷(xiāo),造成難以預(yù)料的結(jié)果;?
??? (4)程序調(diào)試時(shí),花在各模塊定時(shí)協(xié)調(diào)方面的時(shí)間、精力隨系統(tǒng)的復(fù)雜程度大幅增加。?
??? 如果在編寫(xiě)單片機(jī)程序時(shí),引入Windows程序中的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制,把中斷響應(yīng)與事件處理程序分離,中斷服務(wù)程序的任務(wù)只是產(chǎn)生一個(gè)中斷發(fā)生的標(biāo)志,而事件處理則由處理程序來(lái)完成,主程序則負(fù)責(zé)判斷標(biāo)志和調(diào)度處理程序。這樣,可大幅縮短中斷服務(wù)程序的長(zhǎng)度,減少中斷服務(wù)程序的耗時(shí),提高系統(tǒng)對(duì)多中斷的響應(yīng)能力,從而較好地解決上述矛盾。?
2 Windows的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制?
??? 在Windows系統(tǒng)中,程序的設(shè)計(jì)圍繞事件驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行。當(dāng)對(duì)象有相關(guān)的事件發(fā)生時(shí)(如按下鼠標(biāo)鍵),對(duì)象產(chǎn)生一條特定的標(biāo)識(shí)事件發(fā)生的消息,消息被送入消息隊(duì)列,或不進(jìn)入隊(duì)列而直接發(fā)送給處理對(duì)象,主程序負(fù)責(zé)組織消息隊(duì)列,將消息發(fā)送給相應(yīng)的處理程序,使相應(yīng)的處理程序執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,做完相應(yīng)的處理后將控制權(quán)交還給主程序。?
??? 在這種機(jī)制中,對(duì)象的請(qǐng)求僅僅是向隊(duì)列中添加相應(yīng)的消息,耗時(shí)的處理則被分離給處理函數(shù)。這種結(jié)構(gòu)的程序中各功能模塊界限分明,便于擴(kuò)充,能充分利用CPU的處理能力,使系統(tǒng)對(duì)外界的響應(yīng)準(zhǔn)確而及時(shí)。?
3 事件驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)?
??? 與Windows系統(tǒng)相比,單片機(jī)的資源非常有限,因此,單片機(jī)程序中的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制只能采取一種簡(jiǎn)化的方式。當(dāng)某個(gè)中斷發(fā)生時(shí),中斷服務(wù)程序設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志,不同的標(biāo)志代表不同的中斷發(fā)生的消息,而主程序不斷地判別這些標(biāo)志,以決定啟動(dòng)哪一個(gè)處理函數(shù)。相應(yīng)的處理函數(shù)被啟動(dòng)處理完相關(guān)的任務(wù)后,清除此標(biāo)志,然后把控制權(quán)交還給主程序。采用這種機(jī)制,可合理地利用有限資源,使程序調(diào)試的工作量大幅下降。對(duì)于延時(shí)、定時(shí)處理(如LED顯示、鍵盤(pán)掃描等),更可方便地使用一定時(shí)器來(lái)完成延時(shí)、定時(shí)的任務(wù),從而把CPU從這種耗時(shí)的任務(wù)中解放出來(lái),確保系統(tǒng)對(duì)多中斷有足夠的響應(yīng)能力。?
??? 本文以一IC卡讀寫(xiě)機(jī)為例,說(shuō)明事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。?
3.1 硬件結(jié)構(gòu)?
??? 本系統(tǒng)以ATMEL公司的89C51為核心(如圖1)。89C51價(jià)格低廉,性能較好,片內(nèi)有4KB的可擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器,可滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。為簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)能耗,鍵盤(pán)采用軟件掃描的矩陣鍵盤(pán)。LED顯示采用段位動(dòng)態(tài)掃描,在任一時(shí)刻LED中最多只有一段被點(diǎn)亮。具體是在位選信號(hào)送某位LED的公共極時(shí),每隔一個(gè)時(shí)間片依次輸出該位LED的段碼(含小數(shù)點(diǎn)),輸出完成一位后,再逐次輸出下一位。從第一位至第N位LED依次分成8×N個(gè)時(shí)間片循環(huán)掃描顯示。串口UART作為系統(tǒng)與外部數(shù)據(jù)通訊的通道,IC卡的讀寫(xiě)由MCU模擬I2C協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。?
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3.2 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)?
??? 中斷申請(qǐng)標(biāo)志?
??? 在系統(tǒng)中定義一個(gè)可位尋址的單元,在此把它命名為Message_Flag,用來(lái)記錄描述中斷事件發(fā)生的情況。各位的定義如下:?
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??? LED顯示的實(shí)現(xiàn)?
??? 顯示模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。以定時(shí)器T0作為L(zhǎng)ED的動(dòng)態(tài)掃描的定時(shí)基準(zhǔn),T0的定時(shí)時(shí)間最大值Tseg=20ms/(8×N)(其中N為L(zhǎng)ED位數(shù)),改變Tseg的值可改變顯示的亮度。T0每隔Tseg時(shí)間向MCU申請(qǐng)中斷,在T0的中斷服務(wù)程序中置位相應(yīng)的標(biāo)志位(Message_Flag中的D0位)。主程序檢測(cè)到此標(biāo)志位被置位后,啟動(dòng)顯示模塊實(shí)現(xiàn)位段的顯示輸出。?
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??? 鍵盤(pán)輸入的實(shí)現(xiàn)?
??? 鍵盤(pán)模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。在LED動(dòng)態(tài)掃描期間,只有被點(diǎn)亮的LED相應(yīng)的位選線(xiàn)維持大約3ms的低電平,而在系統(tǒng)工作的絕大部分時(shí)間內(nèi)LED的位選線(xiàn)(即鍵盤(pán)的列線(xiàn))維持高電平。當(dāng)有鍵被按下時(shí),將把鍵盤(pán)的行線(xiàn)中某一根拉成高電平,經(jīng)或非門(mén)后,向MCU申請(qǐng)INT1中斷,在INT1的中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)時(shí)間為20ms的定時(shí)器T1。T1的定時(shí)時(shí)間到后向MCU申請(qǐng)T1中斷,在T1的中斷服務(wù)程序中置位相應(yīng)的中斷申請(qǐng)標(biāo)志(Message_Flag中的D1位)。主程序檢測(cè)到此標(biāo)志位被置位后,啟動(dòng)鍵盤(pán)掃描模塊實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入。鍵盤(pán)輸入完成(用戶(hù)按“確認(rèn)”鍵),置位鍵盤(pán)輸入確認(rèn)標(biāo)志(Message_Flag中的D7位)。
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??? IC卡的讀寫(xiě)?
??? IC卡的SDA、SCL經(jīng)卡座分別通過(guò)P1.0、P1.1與MCU相連。當(dāng)IC卡插入卡座時(shí),座上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)使INT0變?yōu)榈碗娖?向MCU申請(qǐng)INT0中斷。在INT0中斷服務(wù)程序中置位相應(yīng)的中斷申請(qǐng)標(biāo)志(Message_Flag中的D2位),主程序檢測(cè)到此標(biāo)志位被置位后,啟動(dòng)IC卡的讀模塊,以軟件模擬I2C協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)讀卡操作。在數(shù)據(jù)處理完成后,同樣通過(guò)軟件模擬I2C協(xié)議來(lái)完成寫(xiě)卡的操作。?
??? 串口通訊?
??? 實(shí)際應(yīng)用中可把UART轉(zhuǎn)換成RS232C與PC相連或轉(zhuǎn)換成RS485等其它協(xié)議組成單片機(jī)網(wǎng)。MCU與外部的通訊采用中斷方式,在串口的中斷服務(wù)程序中置位相應(yīng)的中斷申請(qǐng)標(biāo)志(Message_Flag中的D4位)。主程序檢測(cè)到此標(biāo)志位被置位后,啟動(dòng)串口通訊模塊,實(shí)現(xiàn)與外部的數(shù)據(jù)通訊。?
??? 主程序的設(shè)計(jì)?
??? 綜上所述,主程序首先完成系統(tǒng)的初始化,然后循環(huán)檢測(cè)各中斷的中斷申請(qǐng)標(biāo)志,如有某標(biāo)志被置位,則啟動(dòng)相應(yīng)的處理模塊完成相應(yīng)的任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)如下(用C51編寫(xiě)):?
??? unsigned bdata message_flag;?
??? sbit t0_int=message_flag^0;?
??? sbit t1_int=message_flag^1;?
??? sbit int0_int=message_flag^2;?
??? sbit uart_int=message_flag^4;?
??? sbit kb_enter=message_flag^7;?
??? unsigned char kb_buf[8];?
??? unsigned char led_buf[8];?
??? unsigned char ic_buf[8];?
??? unsigned char num_buf[8];?
??? void num_proc(void);????? ? /*數(shù)據(jù)處理模塊*/?
??? void ledbuf_write(unsigned ,unsigned int); /*數(shù)據(jù)處理*/?
??? void system_init(void);?? ? /*系統(tǒng)初始化*/?
??? void uart_commune(void);? ? /*串口通訊模塊*/?
??? void led_display(void);?? ? /*LED顯示*/?
??? void kb_scan(void);???? ??? /*鍵盤(pán)掃描*/?
??? void ic_reader(void);???? ? /*讀IC卡*/?
??? void ic_writer(void);???? ? /*寫(xiě)IC卡*/?
??? void set_timer(unsigned int time_len,unsigned char type,unsigned char id);/*設(shè)置定時(shí)器*/?
??? void t0_int_sever(void);? ? /*定時(shí)器T0中斷服務(wù)*/?
??? void t1_int_sever(void);?? /*定時(shí)器T1中斷服務(wù)*/?
??? void int0_int_sever(void);? ??? /*INT0中斷服務(wù)*/?
??? void int1_int_sever(void);? ??? /*INT1中斷服務(wù)*/?
??? void uart_int_sever(void);? ??? /*串口中斷服務(wù)*/?
??? void main(void)?
??? {?
??????? system_init();?
? ? while(1) {?
??? ????? if? (t0_int)? ??? led_display();?
??? ????? if? (int0_int)? ? ic_reader();?
??? ????? if? (t1_int)??? ? kb_scan();?
??? ????? if? (uart_int)?? uart_commune();?
??? ????? if? (kb_enter){?
?????? ???? ?????? num_proc();?
??????? ?????????? ic_writer();?
??????? ?????????? ledbuf_write(num_buf,8);?
???? ????????? }?
???? ???? }?
??? }?
??? 事件驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是通過(guò)在中斷服務(wù)程序中置位相應(yīng)標(biāo)志,把耗時(shí)的中斷服務(wù)中的處理部分分離出來(lái),中斷返回后,再由主程序根據(jù)標(biāo)志啟動(dòng)相應(yīng)的處理模塊。在任務(wù)處理完成后,清除相應(yīng)的標(biāo)志。由于中斷服務(wù)程序短小,所以一般能實(shí)時(shí)地響應(yīng)各種中斷;而處理程序之間不會(huì)被相互調(diào)用,所以不會(huì)產(chǎn)生代碼重入;各模塊界限分明,給程序中各模塊的統(tǒng)調(diào)帶來(lái)很大的方便。?
??? 實(shí)踐證明,運(yùn)用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制來(lái)組織單片機(jī)程序,即使對(duì)于要求定時(shí)準(zhǔn)、耗時(shí)多的多中斷、多模塊系統(tǒng),也可輕松地完成。?
參考文獻(xiàn)?
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