AVR单片机教程——走向高层
本文隶属于AVR单片机教程系列。
在系列教程的最后一篇中，我将向你推荐3个可以深造的方向：C++、事件驱动、RTOS。掌握这些技术可以帮助你更快、更好地开发更大的项目。
本文涉及到许多概念性的内容，如果你有不同意见，欢迎讨论。
关于高层
这一篇教程叫作“走向高层”。什么是高层？
我认为，如果寥寥几行代码就能实现一个复杂功能，或者一行代码可以对应到几百句汇编，那么你就站在高层。高层与底层是相对的概念，没有绝对的界限。
站得高，看得远，这同样适用于编程，我们要走向高层。高层是对底层的封装，是对现实的抽象，高层相比于底层更加贴近应用。站在高层，你可以看到很多底层看不到的东西，主要有编程工具和思路。合理利用工具，可以简化代码，降低工作量；用合适的思路编程，更可以事半功倍。
但是，掌握高层并不意味着忽视甚至鄙视底层，高层建立在底层基础之上。其一，有些高层出现的诡异现象可以追溯到底层，这样的debug任务只有通晓底层与高层的开发者才能胜任；其二，为了让高层实现复杂功能的同时获得可接受的运行效率，底层必须设计地更加精致，这就对底层提出了更高的要求。
相信你经过一期和二期的教程，已经相当熟悉AVR编程的底层了。跟我一起走上高层吧！
C++
C++继承自C，兼有低级语言和高级语言的特性。C++代码可以被编译为汇编语句，这决定了它的高效；C++支持过程式、面向对象、泛型等编程范式，还有庞大的标准库，这决定了它的高级。所有C++代码都可以转换成C代码，使用C++绝非必要，但是不能仅凭这一点而否定C++——因为同理，C也是没有必要的，你为什么还要学C呢？我们使用C++，就是要发挥它的高级。
在几十年的发展过程中，C++委员会制定了多个标准，主要的有C++98和C++11，C++11添加了很多新特性，既能简化程序又能提升性能。本文写于下一个主要标准C++20即将发布之际，主流编译器对C++11的支持已经很完整，所以我的建议是，如果想学C++，按照C++11标准来学。
在AVR平台上写C++比较特殊，在于工具链没有提供C++标准库。如果你想用标准库，无论是IO设施还是容器算法，要么委曲求全，用网上能找到的不完整的实现，要么自己写。这是AVR很劝退C++的一点，对此我的建议是，不要把AVR作为你学习C++的平台，尽管这一节讲的是C++给AVR单片机开发带来的益处。用AVR来操练C++倒是有很多意想不到的好处。
说起AVR与C++，还不得不提起Arduino，这个平台从AVR起家，一直使用C++语言，是AVR平台上C++的最大甚至唯一的应用。我想，如果你能读到这里，你对Arduino肯定不会陌生，方便易用是它的核心卖点之一。事实上，C++这门语言为它提供了不少帮助，而C++的威力还不止于此。我将以范式为线索，介绍C++的高级之处。
在面向对象的世界中，对象和消息是主角，语句是创建对象和规定消息传递方式的工具。定义对象需要用类，定义消息需要类中的函数，安排类之间的关系需要继承和虚函数，这些是功能上的配角，编程逻辑上的主角。
代码中的对象是现实中的对象的抽象，由于单片机往往是跟现实世界打交道，这一点比较容易理解。比如，开发板上的每一个外设，包括LED、按键等，都是对象。
#include <avr/io.h>
#define F_CPU 25000000
#include <util/delay.h>
class Led
{
public:
Led(uint8_t index)
{
mask = 1 << (4 + index);
DDRC |= mask;
}
void on()
{
PORTC |= mask;
}
void off()
{
PORTC &= ~mask;
}
private:
uint8_t mask;
};
Led red(0), yellow(1), green(2), blue(3);
int main()
{
while (1)
{
red.on();
blue.off();
_delay_ms(500);
red.off();
blue.on();
_delay_ms(500);
}
}
在这个程序中，我定义了类Led，它有3个函数：构造函数Led(uint8_t)，设置mask并在硬件上初始化LED；on和off，分别开和关LED。然后创建了4个全局变量，分别代表4个LED。最后在main中使用，red.on()使红灯亮，是不是很形象呢？除了形象，你也许还注意到，我没有显式调用含有DDRC的那个函数，实际上它在main之前创建全局变量的时候被调用，自动地初始化硬件。我打赌你之前一定忘记过初始化，而C++帮你解决了这个问题。对象的构造、复制、移动、销毁，以及内存分配，都可以交给C++的语法和标准库来处理。
上面这个程序实际上是基于对象范式的，它体现了抽象和封装。面向对象则更进一步，体现了继承和多态。继承是类与类之间的关系，如果类D继承自类B，那么D类型的对象就包含B类型对象所包含的一切内容，类B称为类D的基类，类D称为类B的派生类。多态是指相同的语句表现出不同的行为，换言之不同行为可以有统一的接口，可分为编译期多态和运行时多态。运行时多态体现为虚函数：基类定义虚函数，派生类们实现虚函数，通过基类调用时，实际属于不同派生类的对象表现出不同的行为。很难理解吧，我们通过实例来看：
#include <stdint.h>
class Shape
{
public:
virtual void draw() const = 0;
};
class Line : public Shape
{
public:
Line(uint8_t x1, uint8_t y1, uint8_t x2, uint8_t y2)
: x1(x1), y1(y1), x2(x2), y2(y2) { }
virtual void draw() const override
{
// Bresenham line...
}
private:
uint8_t x1, y1, x2, y2;
};
class Circle : public Shape
{
public:
Circle(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t r)
: x(x), y(y), r(r) { }
virtual void draw() const override
{
// Bresenham circle...
}
private:
uint8_t x, y, r;
};
int main(void)
{
Line line(0, 0, 127, 63);
Circle circle(64, 32, 16);
Shape* shapes[2];
shapes[0] = &line;
shapes[1] = &circle;
for (uint8_t i = 0; i != sizeof(shapes) / sizeof(*shapes); ++i)
shapes[i]->draw();
while (1)
;
}
override是C++11引入的关键字，你需要在项目属性->Toolchain->AVR/GNU C++ Compiler->Miscellaneous->Other flags中写-std=c++11，以启用C++11标准。
这个程序涉及3个类：
基类Shape定义了虚函数draw，派生类Line和Circle提供了不同的实现。main创建了Line和Circle类各一个对象，把指针放到Shape*类型的数组shapes中，然后通过指针调用draw函数，结果是Line::draw和Circle::draw分别被调用一次。要注意，只有通过指针或引用调用虚函数才能多态。引用用类型后的&表示，功能与指针类似，但不用写取地址和解引用符号，形式上更加简洁一点。
正如你所见，面向对象范式可以帮助你构建起现实中的对象之间的关系。在大型程序中，类与类、对象与对象、类与对象之间有复杂的联系，形成了各种设计模式。
C++和C一样可以自定义数据结构，但是不像C一样用宏来定义ADT，也不用void*来抹去类型，而是引入了模板，可以把元素类型作为模板参数定义类和函数，一个模板类或模板函数可以实例化成很多个类或函数。比如我们在UART一讲中写过的队列，在C++中可以这么写：
#include <stddef.h>
template <typename T, size_t S>
class Queue
{
public:
Queue() = default;
Queue(const Queue&) = delete;
Queue& operator=(const Queue&) = delete;
Queue(Queue&&) = delete;
Queue& operator=(Queue&&) = delete;
void push(const T& element)
{
data[tail] = element;
tail = increase(tail);
}
void pop()
{
head = increase(head);
}
bool empty() const
{
return head == tail;
}
bool full() const
{
return increase(tail) == head;
}
const T& peek() const
{
return data[head];
}
private:
T data[S];
size_t head = 0;
size_t tail = 0;
static size_t increase(size_t value)
{
if (++value == S)
value = 0;
return value;
}
};
顺便把UART那些函数改写一下：
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/atomic.h>
#define F_CPU 25000000
#include <util/delay.h>
class Uart
{
public:
Uart()
{
UCSR0B = 0 << UDRIE0 // UDRE interrupt disabled
| 1 << TXEN0; // TX only
UCSR0C = 0b00 << UMSEL00 // asynchronous USART
| 0b10 << UPM00 // even parity
| 0 << USBS0 // 1 stop bit
| 0b11 << UCSZ00; // 8-bit
UBRR0L = 40; // 38400bps
}
void print(char c)
{
bool full = true;
while (1)
{
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)
{
if (!queue.full())
full = false;
}
if (!full)
break; // if full, wait until buffer is not full
}
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)
{
if (queue.empty())
UCSR0B |= 1 << UDRIE0;
queue.push(c);
}
}
void print(int i)
{
char str[10];
itoa(i, str, 10);
print(str);
}
void print(const char* s)
{
for (; *s; ++s)
print(*s);
}
void println()
{
print('\n');
}
template <typename T>
void println(const T& t)
{
print(t);
println();
}
void _interrupt()
{
UDR0 = queue.peek();
queue.pop();
if (queue.empty())
UCSR0B &= ~(1 << UDRIE0);
}
private:
Queue<char, 64> queue;
} uart;
ISR(USART0_UDRE_vect)
{
uart._interrupt();
}
int main()
{
for (char c = ' '; c <= '~'; ++c)
uart.print(c);
uart.println();
for (int16_t i = 0; ; ++i)
{
uart.println(i);
_delay_ms(500);
}
}
有什么好处呢？第一段代码把原来为char编写的64字节队列缓冲区改写成任意类型、任意长度的队列类模板Queue，以类型T与大小S为模板参数。Uart类中创建了Queue<char, 64> queue，实现原来的功能，而Queue类模板还可以在其他地方使用，比如处理用户输入的指令：Queue<std::string, 10> instr;。
第二段代码是把C代码转换成了基于对象风格的C++代码，这个刚刚介绍过了，亮点在于函数print和println。print这一个函数名字对应参数为char、int和const char*的三个版本，这三个函数是重载函数。如果你给print函数传一个参数，编译器会帮你匹配到最合适的一个重载。在没有模板的情况下，你可以把重载看作是一个人性化的功能，毕竟你是知道实际上哪个函数会被调用的，如果你给函数名字加个表示参数类型的后缀，你也可以不使用重载，只不过这件事现在可以交给编译器了。
讲到函数重载，不得不顺便提一下运算符重载。私以为，运算符重载是C++最美丽的特性之一。在Java中你可以把两个字符串用+号连接，C++也可以；C++还允许你赋予运算符以意义，即为原本语义上不成立的运算符编写代码，它们往往与形象或数学上的意义相契合，比如用operator<<输出，再比如写有理数Rational类然后重载四则运算和比较运算符，而Java中只能覆写Object类的equals方法。况且直观上，operator==是比equals更加原生的写法——==是运算符，属于语言核心，而equals是函数名字，属于标准库。总之，函数重载省去了你为相同功能的函数起不同名字的麻烦，运算符重载则更加直接，连函数名字都省了。
回到正题，在有模板的情况下，重载不再仅仅是人性化功能，而是与泛型紧密结合了。println是一个函数模板，尽管你知道它只能接受char、int和const char*类型的参数，但是写成模板一可以省事，二允许添加额外的print重载而不改变println。如果给print加上后缀，你能在println中知道要调用哪个吗？这也是一种多态，编译期多态。
不过，如果你给println传了一个错误的类型，编译器给的错误信息会很难看，这是C++中模板错误的通病。如果不跳票的话，C++20引入的concept会解决这个问题。
Uart还可以再优化一下，让它继承自基类Print，其中定义了virtual print(char)，其他函数照抄，Uart中只需覆写这一个print(char)函数，其他print和println都可以删去，而客户依然可以使用它们。这是因为，虽然println定义在Print中，但println中调用的print(char)是虚函数，还是会回到Uart::print(char)上来。同样地还可以有Oled类继承自Print类，同样覆写自己的print(char)。如果一个函数debug需要打印，它应该接受Print&类型的参数，传入Uart和Oled的实例可以分别实现在串口和OLED屏上打印。
#include <stdlib.h>
class Print
{
public:
virtual void print(char) = 0;
void print(int i)
{
char str[10];
itoa(i, str, 10);
print(str);
}
void print(const char* s)
{
for (; *s; ++s)
print(*s);
}
void println()
{
print('\n');
}
template <typename T>
void println(const T& t)
{
print(t);
println();
}
};
class Uart : public Print
{
public:
virtual void print(char c) override { /* ... */ }
} uart;
class Oled : public Print
{
public:
virtual void print(char c) override { /* ... */ }
} oled;
void debug(Print& printer)
{
printer.println("debug");
}
int main()
{
debug(uart);
debug(oled);
}
顺便，实现相同功能的debug还可以是一个函数模板template <typename T> debug(T&)，不管T是不是继承自Print，甚至根本不存在Print，只要debug中调用到的print和println等在T中都有实现就可以。
class Uart
{
public:
void println(const char* s) { /* ... */ }
};
class Oled
{
public:
void println(const char* s) { /* ... */ }
};
template <typename T>
void debug(T&& printer)
{
printer.println("debug");
}
int main()
{
Uart uart;
Oled oled;
debug(uart);
debug(oled);
}
如果有标准模板库（STL），Queue都不用自己写，用std::queue<char>就可以了，大小无限直至RAM耗尽。C++的STL是一系列容器和算法的集合，在绝大多数情况下可以提供最优的时间与空间复杂度，让你远离数据结构的烦恼。容器有顺序容器std::vector（自动增长的数组）和std::list（双向链表）等、关联容器std::set（集合）和std::map（键值对）等，算法有std::sort（排序）和std::transform（映射）等，琳琅满目。
容器和算法之间以迭代器为桥梁，各个容器定义的迭代器类型不同，但都有类似的接口，算法都是模板函数，与刚刚描述的模板debug很类似。一个迭代器类型至少要重载operator*（解引用）和operator++（前缀自增）运算符，运算符重载在这里有规定接口的意义。
要说重载最多的运算符，那应该是函数调用运算符operator()了，很多标准库算法都需要这样的参数，作为算法的谓词——有一个或两个参数，返回bool值。比如，给std::sort一个二元谓词，判断第一个参数是否小于第二个，就能得到非递减序的原序列。重载了operator()的对象称为仿函数，它们的类型在算法中都是作为模板参数的。对于不同的迭代器和仿函数类型，标准库算法函数模板会实例化成不同的函数，算法本身比较长，再加上实例化一多，程序体积就会很大，这是C++模板的一个弊端。
仿函数如此灵活，函数式范式于是顺理成章地在C++11被引入。由于有语法的限制和其他范式的诱惑，你很难用C++写一个纯函数式的程序，并且我也不想讲Haskell那样纯正的函数式编程。但是C++11提供的函数工具——lambda表达式和std::function等标准库组件还是很香的，甚至成为了我不得不用C++11的唯一理由，我们一起来看一看。
在C++11以前，传给函数的谓词可以是普通函数或重载了operator()的类的实例，无论是哪种，它都定义在使用处之外，想想正写到兴头上突然要回到全局作用域是什么感觉？这样的代码写起来读起来都不顺。C++11引入的lambda表达式允许你就地创建一个仿函数，参数和返回类型都由自己决定。lambda表达式不仅可以像函数一样使用全局可见的名字，还可以捕获局部变量，捕获方式可以选择以值捕获（拷贝对象）还是以引用捕获（保存指针），是一种非常灵活的语法。
比如，之前提到的debug函数可以接受回调函数作为参数，调用处传入一个lambda。如果uart定义在全局，就不用捕获；如果在局部，就要以引用方式捕获。
class Uart
{
public:
void print(const char*) { /* ... */ }
};
template <typename T>
void debug(T&& callback)
{
callback("debug\n");
}
int main()
{
Uart uart;
debug([&](const char* s) {
uart.print(s);
});
}
但是，lambda本身只能立即使用，不能保存起来以后使用，因为lambda的类型是不知道的。C++11引入了多态函数包装器std::function，它可以包装符合模板参数类型的任意仿函数，通过operator()调用，而且它本身是一个类（而非多个类），实例可以拷贝，lambda可以借由std::function被保存。
class Debug
{
public:
using callback_t = std::function<void(const char*)>;
Debug& operator+=(const callback_t& f)
{
callbacks.push_back(f);
return *this;
}
void operator()()
{
for (auto& f : callbacks)
f("debug");
}
private:
std::vector<callback_t> callbacks;
} debug;
int main()
{
Uart uart;
debug += [&](const char* s) {
uart.print(s);
};
Oled oled;
debug += [&](const char* s) {
oled.print(s);
};
debug();
}
此外，还有std::bind可以绑定参数，生成一个新的仿函数。lambda表达式与std::function、std::bind等标准库组件提供的是一套对象级别的消息传递机制，可以一定程度上消除复杂的继承，为程序解耦，使程序更灵活。
以上为函数工具。C++距离纯正的函数式编程还有一段距离，但已经是大势所趋。并发和range库等新标准中添加的内容将帮助C++更好地支持函数式编程。
C++还提供了很多工具，在这里我再介绍3个，它们都与名字有关——起名字永远是让程序员头疼的问题。
所有标准库组件都以std::开头，std是标准库组件的命名空间。如果你在全局作用域内定义名字简短的函数，会造成命名空间污染——如果每个组件的初始化都叫init，不就乱了套了？在C++中，你可以定义自己的命名空间，比如namespace avr或namespace ee，把代码放在里面以避免污染。命名空间可以嵌套，可以内联，还可以在using指令以后省略。
也许你已经注意到，类定义中总有public和private等字样，它们用于规定类中函数和数据的可访问性：public的任何地方都能访问；protected的只有所属类和子类能访问；private的只有所属类自己能访问。在类中规定可访问性不仅是在告诉客户哪些属于实现细节、哪些属于公开接口，更是让编译器强迫客户这么做，体现了封装的原则。
在C中，枚举类型中定义的枚举元素是全局可见的，不同枚举类型不能定义相同的名字，否则就会冲突——在为红绿灯写好RED、YELLOW和GREEN以后，你不能再为状态指示灯定义RED和GREEN！还好，C++11引入了强类型枚举，为枚举元素限定了作用域，访问需要加上类型名字和作用域运算符::。强类型枚举的元素不能隐式转换为int，默认情况下不能用|运算符连接，不过你可以手动地重载operator|。
总之，C++可以提高程序的可读性、使大型程序易于维护，以及为你提供编程思路。C++是一个有机整体，各个范式、各个功能都不能割裂开来使用。当然，没个十年八年，你也不要妄想精通C++，在实际开发中，尤其是在写单片机程序时，使用C++众多功能的一个子集就可以了，这个子集是要由你根据喜好，或你的团队根据开发习惯确定的。不过这个子集大概只能限于单片机开发，因为实践表明，从C++功能中抽离出一个子集用于通用开发的尝试都是失败的。
另外，之前听过一个笑话，说在数据结构课程中，老师讲到链表时发现学生都听不懂，原来他们是从Python开始接触编程的。有人说学习了C++以后，学习计算机方面的其他知识都会变得容易，我认为是有道理的。过程式、基于对象、面向对象、泛型、函数式，五种编程范式涵盖了绝大多数主流编程语言，赋予你触类旁通的能力；下到内嵌汇编，上到网络编程，小到以字节为单位的内存控制，大到复杂而精巧的数据结构，C++都能胜任，为你今后的学习提供工具、打下基础。学习C++也许不是速效的，但长期投入一定是会有收获的。
事件驱动
从逻辑上看，单片机程序都应该是事件驱动的——对外部事件作出反应，不正是嵌入式系统的职责吗？可惜的是，为了实现这样的功能，我们建立了主循环，每隔一段时间扫描一次输入设备，判断有无需要响应的事件发生，如果有则执行相应的动作——事件的检测喧宾夺主，编程的意图被轻视了。更有甚者，输入和输出设备同时对主循环提出了苛刻的要求——每一毫秒切换一位数码管显示，还不能停止按键扫描。输入和输出紧耦合了起来，程序变得复杂，难以维护和扩展。
不信？请看：
实现以下功能：按下一个按键时，数码管显示的十六进制数字加1；保持按下1000毫秒后，每200毫秒数字加1；再加入另一个按键，但它的效果是数字减1。
我的实现：
#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/segment.h>
int main()
{
button_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
segment_init(PIN_4, PIN_5);
uint8_t num = 0;
int8_t delta[2] = {-1, 1};
uint16_t pressing[2] = {0};
bool triggered[2] = {false};
while (1)
for (uint8_t d = 0; d != SEGMENT_DIGIT_COUNT; ++d)
{
for (uint8_t b = 0; b != 2; ++b)
{
if (button_down(b))
{
++pressing[b];
if (triggered[b])
{
if (pressing[b] == 100)
{
pressing[b] = 0;
num += delta[b];
}
}
else
{
if (pressing[b] == 1)
{
num += delta[b];
}
else if (pressing[b] == 500)
{
num += delta[b];
pressing[b] = 0;
triggered[b] = true;
}
}
}
else
{
pressing[b] = 0;
triggered[b] = false;
}
}
segment_hex(num);
segment_display(d);
delay(1);
}
}
有必要解释一下程序是如何判断按键长按与连续按下的。每个按键对应pressing和triggered两个数组中的各一个元素：pressing表示从上一次触发事件开始按键保持按下了多少毫秒；triggered表示按键按下是否超过500毫秒，也就是是否处于长按的判定范围。程序每一毫秒扫描一次按键：如果按键已松开，把pressing清零，triggered置false；否则，在长按中，每100毫秒触发一次事件，把显示的数字加上或减去1；还未进入长按时，第1毫秒触发，第500毫秒也要触发，并且把triggered置true。更外层的for循环执行动态扫描，点亮数码管的每一位各1毫秒；这个for循环放在while循环中持续运行。
这个程序最主要的问题，在于输入和输出耦合得太紧，在输入、输出或它们之间的关系上改动都不方便。比如，要加入新的按键，也许连接在165上，读取方式与板载按键不同，怎么办？又如，现在按键按下和长按都有动作了，那么松开呢？双击呢？如果要加的话，可能代码翻倍都不止。并且层层缩进，可读性也不好：delay(1)在哪层循环中，恐怕一眼看不出来吧。
按键的判定可以改用状态机，但这不是我们讨论的重点。我们主要解决输入输出耦合的问题，为此我们引入事件驱动的编程范式。事件驱动是一种编程范式，聚焦于事件的发生与处理，事件就是输入和输出之间的纽带。在这个例子中，按键按下与长按是两个事件，事件发生时，显示的数字加上或减去1。动态扫描需要每隔一段时间显示一次，很容易联想到定时器中断，定时器中断也是一个事件。按键需要每隔一段时间读取一次，也可以作为定时器中断事件的处理。
有了这样的思路，就可以动手写代码了。由于应用程序需要定时器和按键事件，其中按键又依赖定时器，我们从定时器写起。
timer.h：
#ifndef TIMER_H_
#define TIMER_H_
void timer_append(void (*func)());
#endif
定时器接口只有一个函数timer_append，用于添加一个事件处理函数。在第一次添加的时候，函数调用开发板库中的初始化。实现在timer.c中：
#include "timer.h"
#include <stdlib.h>
#include <ee2/timer.h>
static void timer_callback();
#define CALLBACK_MAX 2
static void (*callback_table[CALLBACK_MAX])() = {NULL};
static uint8_t callback_count;
void timer_append(void (*func)())
{
if (callback_count == 0)
{
timer_init();
timer_register(timer_callback);
}
if (callback_count < CALLBACK_MAX)
callback_table[callback_count++] = func;
}
static void timer_callback()
{
for (uint8_t i = 0; i != callback_count; ++i)
callback_table[i]();
}
定时器组件的效果是，每次调用timer_append时的参数都会被每个一毫秒依次调用一次。
定时器是全局唯一的，因此一套函数就可以作为接口，但按键可以存在多个，为了指明一次调用对哪个按键有效，我们需要定义一个类型表示按键。同时，定时器的事件类型也只有一种，而按键有按下、长按、松开等，还需要一个枚举类型表示事件类型。button.h：
#ifndef BUTTON_H_
#define BUTTON_H_
#include <stdbool.h>
typedef enum
{
BUTTON_PRESSED, BUTTON_RELEASED, BUTTON_LONG,
} ButtonEvent;
struct Button_t;
typedef struct Button_t* Button;
Button button_create(bool (*down)());
void button_register(Button b, void (*callback)(ButtonEvent));
#endif
button_create用于创建一个按键，参数为判断按键是否按下的函数；button_register给按键注册事件处理函数，这个函数有一个参数指明事件类型。button.c：
#include "button.h"
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include "timer.h"
static void button_update(Button b);
static void button_callback();
typedef enum
{
BUTTON_IDLE, BUTTON_WAS_PRESSED, BUTTON_LONG_TRIGGERED,
} ButtonStatus;
struct Button_t
{
uint16_t pressing;
uint8_t status;
bool (*input)();
void (*handler)(ButtonEvent);
};
#define BUTTON_MAX 2
static Button button_table[BUTTON_MAX] = {NULL};
static uint8_t button_count = 0;
Button button_create(bool (*down)())
{
if (button_count == 0)
timer_append(button_callback);
if (button_count >= BUTTON_MAX)
return NULL;
Button b = malloc(sizeof(struct Button_t));
b->pressing = 0;
b->status = 0;
b->input = down;
b->handler = NULL;
button_table[button_count++] = b;
return b;
}
void button_register(Button b, void (*callback)(ButtonEvent))
{
b->handler = callback;
}
static void button_update(Button b)
{
if (b->input())
{
++b->pressing;
if (b->status == BUTTON_LONG_TRIGGERED)
{
if (b->pressing == 100)
{
b->pressing = 0;
if (b->handler)
b->handler(BUTTON_LONG);
}
}
else
{
if (b->status == BUTTON_IDLE)
{
b->status = BUTTON_WAS_PRESSED;
if (b->handler)
b->handler(BUTTON_PRESSED);
}
else if (b->pressing == 500)
{
b->pressing = 0;
b->status = BUTTON_LONG_TRIGGERED;
if (b->handler)
b->handler(BUTTON_LONG);
}
}
}
else
{
if (b->status != BUTTON_IDLE && b->handler)
b->handler(BUTTON_RELEASED);
b->pressing = 0;
b->status = BUTTON_IDLE;
}
}
static void button_callback()
{
for (uint8_t i = 0; i != button_count; ++i)
button_update(button_table[i]);
}
Button_t结构体保存按键的信息，包括输入input、状态pressing与status、输出handler。button_update读取按键输入并更新其状态，并且可能调用回调函数。button_callback中对每个按键调用button_update，它本身又被注册给定时器。
现在可以编写应用程序了。main.c：
#include <stdbool.h>
#include <ee2/button.h>
#include <ee2/segment.h>
#include "timer.h"
#include "button.h"
uint8_t num = 0;
bool button_down_0()
{
return button_down(BUTTON_0);
}
bool button_down_1()
{
return button_down(BUTTON_1);
}
void num_decrease(ButtonEvent e)
{
switch (e)
{
case BUTTON_PRESSED:
case BUTTON_LONG:
--num;
break;
default:
break;
}
}
void num_increase(ButtonEvent e)
{
switch (e)
{
case BUTTON_PRESSED:
case BUTTON_LONG:
++num;
break;
default:
break;
}
}
void segment_scan()
{
static uint8_t d = 0;
segment_hex(num);
segment_display(d);
if (++d == SEGMENT_DIGIT_COUNT)
d = 0;
}
int main()
{
button_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
Button button_l = button_create(button_down_0);
button_register(button_l, num_decrease);
Button button_r = button_create(button_down_1);
button_register(button_r, num_increase);
segment_init(PIN_4, PIN_5);
timer_append(segment_scan);
while (1)
;
}
我们先写了几个函数：button_down_0和button_down_1分别返回两个按键是否按下；num_decrease和num_increase是两个按键事件的回调函数；segment_scan是定时器回调函数，每次调用时显示数码管的一位。在main中，我们先初始化按键，创建两个按键，然后注册以回调函数，再初始化数码管并给定时器注册回调函数，最后进入死循环以保持程序运行。整个程序的运行流程为：先执行main中的初始化，然后在每一毫秒触发的定时器中断中，通过库调用到timer_callback，其中依次调用button_callback和segment_scan；button_callback调用对每个按键调用button_update，其中会调用注册给按键的回调函数num_decrease和num_increase。
这是一个简单的事件驱动范式的程序，虽然代码有点长，但是一旦你把逻辑理清楚，就会发现程序结构还是很清晰的，并且可以在此基础上扩展额外的功能，或者把这种结构应用于其他场合。
从这个简单的例子中我们可以发现：事件有多种、多个，有的事件依赖于其他事件；一个事件的处理函数可能不止一个。事实上，事件驱动架构中还有很多值得斟酌的细节。
事件的粒度。比如，是把一个按键的各种行为作为一个事件，注册一个回调函数，还是每种行为有各自的？或者更大一点，一组按键共用一个？粒度较小的写起来更加自如，不用在回调函数中写switch-case，但是事件驱动的库可能需要消耗更多内存；粒度较大的可以省内存，但是回调函数中需要频繁的分支语句，可读性降低，时间性能也会下降。如果需要两个按键同时按下的事件，粒度比按键组更小的事件恐怕无法胜任；如果每个最小的事件都有独立的事件处理函数，那么大粒度省内存，小粒度高性能。
回调函数的结构。一个事件可以被注册多少个回调函数？一个、有限个，或是在内存耗尽前可以无限个？如果是多个，是否允许相同的回调函数被注册多次，然后被调用多次？是否需要删除一个回调函数？多个回调函数以什么顺序调用？注册顺序，与注册顺序相反的顺序，或者其他？限制一个回调函数很省事，但是可能造成组件之间耦合过于紧密；允许多个回调函数丰富功能，但需要考虑数据结构的问题。有限个通常用固定大小的数组，插入、删除、查找、遍历等操作都可以在确定时间内完成；无限个的情况，如果要求有序但不需要删除，可以用可变数组，需要的话可以用链表，不允许重复的话也可以用二叉树，取决于数据规模。
事件的控制。有些时候客户需要回调函数不被调用，但不能对已注册的回调函数进行修改，因为其他组件也注册过。可以在回调函数中设置指示是否执行的变量，也可以增加启用、禁用事件的接口。当事件禁用时，相应的读取操作可以省略，提升性能。如果有禁用的功能的话，事件是何时启用的呢？是在注册时自动启用，还是需要手动启用？以及，如果客户需要模拟事件的发生，是把已注册的回调函数返回给客户供其调用，还是增加特定的接口呢？
参数包含的信息。在上面的例子中，按键事件的回调函数有一个指明事件类型的参数，但是仅这一个参数并没有包含事件的所有信息，比如是哪个按键触发了这一事件。事件源可以作为回调函数的参数，使客户可以向若干个相同类型的事件源注册相同的回调函数，通过事件源作为参数执行相似的动作，从而增强可读性的同时减小程序体积。有些事件包含的信息过于复杂，回调函数不一定需要其中的所有内容，全部传入浪费资源，可以先传入一小部分，然后让回调函数选择性地向事件源索取其余信息。
以上各种细节，是你在设计一个事件驱动的库时需要考虑的，也是在使用一个现有的事件驱动的库时需要明确的。最后我们来谈一谈事件驱动的应用与利弊。
事件驱动范式的好处主要体现在开发者上，解耦、增加可读性，使程序易于维护和扩展，减少开发者的工作量。事件驱动是一套约定俗成的架构，掌握了它可以让你在面对这一风格的库时更加得心应手。无论是从零开始搭建还是使用现有的库，你都会感觉到编程思路的转变，关注点从底层转向应用，甚至有点搭积木式编程的意味，这不正契合了“走向高层”的主题吗？
对程序员友好的东西往往对执行程序的不友好，事件驱动架构相比于输入输出直接耦合的程序，由于添加了一层或多层回调，再加上诸多细节，性能会受到一些影响，好在它并不是很严重。在人机交互的应用中，人的反应比机器慢很多，允许一些性能下降并不会造成什么影响；在嵌入式应用中，开发效率的重要性也日益增加，同时伴随着工艺与性能的提升，事件驱动架构的负面影响通常可以忽略。
对老鸟友好的东西往往对新手不太友好，事件驱动范式的入门需要花一些功夫，重在理解信息传递的路径与程序执行的流程。在设计一个事件驱动的程序的过程中，除了上面提到的诸多细节外，你还会遇到组件难以明确划分等各种问题。当然，你会在解决这些问题的过程中有很多收获。对于一个项目而言，如果事件驱动的底层是从零开始编写的，那么初期投入也会稍大一些，不过整体来看还是划算的。
一言以蔽之，事件驱动这玩意儿，学它、用它，不会错的。
RTOS
实时操作系统（RTOS）是一类操作系统。带有操作系统的计算机系统相比不带有的，最显著的特点是支持多任务。我们之前写的程序，在监控按键的同时，开了一个定时器中断用于数码管动态扫描，两个任务同时进行，是多任务吗？不完全是。监控按键与动态扫描两个任务只有一个可以占据main函数，另一个必须放在中断里，中断里的任务不能执行太长时间，否则就会干扰main函数的运行。而操作系统中的任务调度器可以给每个任务分配一定的运行时间，CPU一会执行这个，一会执行那个，每个任务都好像独占了CPU连续执行一样。
RTOS与其他操作系统的主要区别在于任务调度器的设计。在RTOS中，所有任务都有优先级，优先级高的被调度器保证优先执行，以获得最短的响应时间。在与现实世界打交道的嵌入式系统中，这样的功能往往是必要的。
操作系统通常需要中档的硬件，8位的AVR稍差了一点，主频和存储容量达不到一些操作系统的要求，不过还是有可选项的。我们来试着在开发板上运行FreeRTOS。FreeRTOS是一个免费的、为单片机设计的RTOS，是目前嵌入式市场占有率第二的操作系统，仅次于Linux。
首先去官网下载代码。下载的是一个.zip压缩包，找到FreeRTOS文件夹，目录下Demo和Source中的部分代码是需要使用的。作为一个跨平台的系统，大多数代码平台无关，只存一份，其他平台相关的代码，每个平台都有独立的实现，源码是demo都是如此，这使得代码组织有些复杂，你可以参考官方文档。
官方提供了ATmega323单片机的demo，为了在开发板上运行，需要做一些修改。demo基于WinAVR平台，它与Atmel Studio一样，都是基于avr-gcc的。如果你有WinAVR的话，直接用makefile就可以编译；Atmel Studio虽然也提供了make，但有些微区别，没法直接用makefile，因此我们自己建立项目来编译。
-
新建项目，然后在Solution Explorer中建3个文件夹：
source、port和demo。 -
拷贝一些文件到这些目录下：
-
source：\Source\include\所有文件、\Source\下的tasks.c、queue.c、list.c和croutine.c； -
port：\Source\portable\GCC\ATmega323\所有文件和\Source\portable\MemMang`下的heap_1.c； -
demo：\Demo\Common\include\所有文件、\Demo\Common\Minimal\下的crflash.c、integer.c、PollQ.c和comtest.c、\Demo\AVR_ATMega323_WinAVR\除makefile以外的所有文件，再把ParTest.c和serial.c拎出来，main.c拎到外面。
我是怎么知道的呢？我参考了官方文档和
makefile文件。 -
-
在Solution Explorer中Add Existing Item，在项目属性->Toolchain->AVR/GNU C Compiler->Directories中添加这三个目录。
-
修改代码，使之适用于我们的开发板：
修改的理由有以下几种：
-
ATmega323和ATmega324的寄存器略有不同；
-
WinAVR和Atmel Studio提供的工具链中的一些定义方式不同；
-
硬件配置与连接不同。
所以需要做以下修改：
-
port.c中：TIMSK改为TIMSK1；SIG_OUTPUT_COMPARE1A改为TIMER1_COMPA_vect；54行改为0x02； -
FreeRTOSConfig.h中：48行改为25000000； -
serial.c中：UDR、UCSRB、UCSRC、UBRRL、UBRRH分别改为UDR0、UCSR0B、UCSR0C、UBRR0L、UBRR0H；67行改为0x00；188行改为ISR(USART0_RX_vect)；207行改为ISR(USART0_UDRE_vect)； -
comtest.c中：71行改为4；72行改为2； -
ParTest.c中：DDRB改为DDRC；PORTB改为PORTC；49行改为0x00；50行改为3；72和99行把uxLED改为(4 + uxLED)；76行把if和else的大括号中的语句对调； -
main.c中：删除81和84行；111行改为0；117行改为3；127行改为2；153行返回类型改为int。
-
不出意外的话，现在代码可以通过编译了（我这里有3个warning）。下载到单片机上，连接TX和RX，你会发现红灯和黄灯分别以300ms和400ms为周期闪烁，绿灯和串口黄灯一起闪烁，蓝灯不亮。
实际上，程序创建了1个整数计算、2个串口收发、2个队列收发、2个寄存器测试、1个错误检查和1个空闲共9个任务，以及2个LED闪烁协程。每过一毫秒，定时器产生一次中断，任务调度器暂停当前任务，换一个任务开始运行。为了理解这个过程，我们先介绍上下文这个概念。
一个任务在执行的过程中，需要一些临时变量，它们有的保存在栈上（栈是内存中的一块区域，寄存器SP指向栈顶），有的在寄存器中；此外，条件分支语句还要用到寄存器SREG中的位，这些位在之前的语句中被置位或清零；还有记录当前程序执行到哪的程序计数器。这些一起构成了任务执行的上下文：寄存器r0到r31、SREG、SP和PC。不同任务的上下文是不共享的，但它们却要占用相同的位置，为此，在切换任务时需要把前一个上下文保存起来，并恢复要切换到的任务的上下文，这个过程称为上下文切换，然后才能继续这个任务。
我们来结合代码分析一下这个过程。
void TIMER1_COMPA_vect( void ) __attribute__ ( ( signal, naked ) );
void TIMER1_COMPA_vect( void )
{
vPortYieldFromTick();
asm volatile ( "reti" );
}
void vPortYieldFromTick( void ) __attribute__ ( ( naked ) );
void vPortYieldFromTick( void )
{
portSAVE_CONTEXT();
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
vTaskSwitchContext();
}
portRESTORE_CONTEXT();
asm volatile ( "ret" );
}
typedef void TCB_t;
extern volatile TCB_t * volatile pxCurrentTCB;
#define portSAVE_CONTEXT() \
asm volatile ( "push r0 \n\t" \
"in r0, __SREG__ \n\t" \
"cli \n\t" \
"push r0 \n\t" \
"push r1 \n\t" \
"clr r1 \n\t" \
"push r2 \n\t" \
"push r3 \n\t" \
"push r4 \n\t" \
"push r5 \n\t" \
"push r6 \n\t" \
"push r7 \n\t" \
"push r8 \n\t" \
"push r9 \n\t" \
"push r10 \n\t" \
"push r11 \n\t" \
"push r12 \n\t" \
"push r13 \n\t" \
"push r14 \n\t" \
"push r15 \n\t" \
"push r16 \n\t" \
"push r17 \n\t" \
"push r18 \n\t" \
"push r19 \n\t" \
"push r20 \n\t" \
"push r21 \n\t" \
"push r22 \n\t" \
"push r23 \n\t" \
"push r24 \n\t" \
"push r25 \n\t" \
"push r26 \n\t" \
"push r27 \n\t" \
"push r28 \n\t" \
"push r29 \n\t" \
"push r30 \n\t" \
"push r31 \n\t" \
"lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"in r0, 0x3d \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
"in r0, 0x3e \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
);
#define portRESTORE_CONTEXT() \
asm volatile ( "lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"ld r28, x+ \n\t" \
"out __SP_L__, r28 \n\t" \
"ld r29, x+ \n\t" \
"out __SP_H__, r29 \n\t" \
"pop r31 \n\t" \
"pop r30 \n\t" \
"pop r29 \n\t" \
"pop r28 \n\t" \
"pop r27 \n\t" \
"pop r26 \n\t" \
"pop r25 \n\t" \
"pop r24 \n\t" \
"pop r23 \n\t" \
"pop r22 \n\t" \
"pop r21 \n\t" \
"pop r20 \n\t" \
"pop r19 \n\t" \
"pop r18 \n\t" \
"pop r17 \n\t" \
"pop r16 \n\t" \
"pop r15 \n\t" \
"pop r14 \n\t" \
"pop r13 \n\t" \
"pop r12 \n\t" \
"pop r11 \n\t" \
"pop r10 \n\t" \
"pop r9 \n\t" \
"pop r8 \n\t" \
"pop r7 \n\t" \
"pop r6 \n\t" \
"pop r5 \n\t" \
"pop r4 \n\t" \
"pop r3 \n\t" \
"pop r2 \n\t" \
"pop r1 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
"out __SREG__, r0 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
);
在定时器中断TIMER1_COMPA_vect中，vPortYieldFromTick被调用，其中依次调用portSAVE_CONTEXT、xTaskIncrementTick、vTaskSwitchContext（可能不调用）和portRESTORE_CONTEXT，执行汇编语句ret；最后执行reti。
在介绍中断的时候，我们提到过编译器添加的额外代码，把用到的寄存器都push进栈。但是，编译器只会保护该中断用到的寄存器，而上下文包括所有寄存器，需要手动地编写代码，那么也就无需编译器添加多余的代码了。函数TIMER1_COMPA_vect被添加attributenaked，表示无需添加任何代码，把用户编写的原原本本地编进去就够了。
进入中断时，PC被push进栈（这是硬件做的），PC内容变为TIMER1_COMPA_vect的地址，随后开始执行，PC再次push进栈（没有在图片中表示出来），开始执行portSAVE_CONTEXT保存上下文。由于它是宏，就没有PC进栈的过程。
然后，r0、SREG、r1到r31依次进栈，上下文的内容保存完成，其位置还需要另存。SP指向栈顶，代表着上下文的位置，它被复制到pxCurrentTCB所指的位置中。pxCurrentTCB实际上是结构体TCB_t指针，该结构体保存着当前执行的任务的信息，前两个字节保存栈指针。这样，上下文就保存完成了。
xTaskIncrementTick把软件计数器加1，并检查是否需要任务切换。为了讲解，我们假定它需要，那么vTaskSwitchContext就会被调用，pxCurrentTCB指向另一个TCB_t变量，那里保存着另一个任务的上下文，我们要恢复它。
恢复过程是，先用pxCurrentTCB取出SP，再按相反的顺序出栈，上下文中就只剩PC没有恢复了（ret和vPortYieldFromTick的调用抵消，一起忽略）。最后执行reti，该汇编语句从栈顶取两个字节放进PC，并跳转到其位置继续执行。此时，PC的内容就是该任务之前被中断时执行到的位置，现在从PC开始继续执行，也就是继续执行该任务。上下文切换完成。
在对FreeRTOS稍有了解后，我们动手写一个基于FreeRTOS的程序。在学习数码管的时候，你很可能考虑过，在后台创建一个任务，执行数码管的扫描。现在，FreeRTOS给了你这个机会。我们创建两个任务，一个每一毫秒显示数码管的一位，另一个每200毫秒更新显示的数字。
#include <stdlib.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include <ee2/segment.h>
SemaphoreHandle_t mutex;
portTASK_FUNCTION(segment_scan, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t digit = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_display(digit);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++digit == 2)
digit = 0;
vTaskDelay(1);
}
}
portTASK_FUNCTION(segment_set, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t number = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_dec(number);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++number == 100)
number = 0;
vTaskDelay(200);
}
}
int main()
{
segment_init(PIN_8, PIN_9);
mutex = xSemaphoreCreateMutex();
xTaskCreate(segment_scan, "scan", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(segment_set, "set", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);
vTaskStartScheduler();
return 0;
}
两个任务都需要使用数码管这一资源。如果一个任务正在调用segment_dec，还没返回时，定时器中断发生，切换到另一个任务，其中调用了segment_display，就会发生冲突。我们用一个互斥量mutex来解决。当一个任务调用了xSemaphoreTake后，在它调用xSemaphoreGive前，mutex会进入锁定状态，如果另一个任务试图调用xSemaphoreTake，则会阻塞住，切换到另一个任务。这样就保证两个任务不会冲突。资源共享是并行程序要着重处理的问题之一。
FreeRTOS还有很多功能等待你去发掘，RTOS就更多了。最后，我们来谈谈RTOS的长处和短处。
RTOS是多任务的，这是对代码顺序执行的编程模型的颠覆，使程序可以实现更多功能，比如两个连续的（不调用delay之类的函数的）任务同时执行。即使是大多数情况下中断可以解决的问题，RTOS的引入也能让你更快地实现相同功能，这既体现在编程思路的改进，还有现成API可供使用，提高开发效率。如果涉及到程序在平台间的移植，RTOS能提供的帮助就更多了。
RTOS是事件驱动的，尽管表面上不太看得出来。这也能带来一些收益，我们将在本文最后一节进行分析。
然而，RTOS的运行负担较大，包括时间和空间，比如在AVR平台上，一次任务调度至少需要100多个指令周期。在应用本身不太复杂的情况下，这一点尤为严重，需要根据应用决定是否使用。我把RTOS安排到了最后一篇，显然是建议在AVR单片机开发中，尽可能不要使用RTOS。
最后，RTOS对个人发展是有好处的。Linux尽管不是RTOS，作为安装量最大的操作系统内核，是嵌入式开发者必须精通的。各种RTOS与Linux一样都是操作系统，无非是调度策略不同（Linux也有实时的），很多内容都是相通的。学习RTOS对学习Linux有很大帮助，这对你的嵌入式道路是有益无害的。
融会贯通
C++是一门编程语言，可以脱离事件驱动和RTOS存在。事件驱动可以用C实现，但C++等面向对象语言更合适；RTOS往往是事件驱动的。
C++可以为事件驱动架构提供很大的帮助。事件源可以用对象来表示，注册、启用、询问等操作可以用类成员函数来实现，必要时事件源的类还可以用上继承。回调函数的类型也有了更多选择，在C中几乎只能是函数指针，而在C++中还可以用继承自某一基类的仿函数，或std::function多态函数。存储回调函数的数据结构用C++来表示也会方便许多。
RTOS使用系统层级的事件驱动架构。当一个任务想要获取信号量但是没有成功时，它不是一直等待直到获取，而是向该信号量注册此任务，然后切换到另一任务执行。当另一任务释放该信号量时，它会查看哪些任务阻塞在该信号量上，如果有优先级更高的则切换过去执行。这样每时每刻都有任务在执行，没有资源被浪费。
RTOS为应用层级的事件驱动架构提供更多选择。在没有RTOS的程序中，外设的扫描和回调函数的执行一般都放在中断中，而初始化却在main中，会出现一些数据共享的问题。有时回调函数执行时间过长，会错过定时器中断，导致事件没有被检测到。RTOS提供了另一种结构：一个高优先级的任务扫描外设，检测到事件时把事件信息放到一个消息队列中，另一个低优先级的任务从队列中获取消息，并执行相应的事件处理函数。事件处理函数可以长时间运行而不影响事件监测，还可以在新的任务中并发执行。
如果你对本文所介绍的三个主题都很有兴趣，我推荐你学习C#编程。C#主要用于编写Windows平台的窗口程序，语法与C++类似，使用事件驱动机制处理消息，支持并发与异步，有极其丰富的标准库，包括数据结构、图形、网络、数据库等，是一门实用性很强的、能快速地学以致用的语言。
AVR单片机教程就到这里。希望你能早日站在高层，“会当凌绝顶，一览众山小”！
posted on 2020-03-20 21:18 Jerry_SJTU 阅读(1151) 评论(0) 编辑 收藏 举报
