(特价书)嵌入式微系统

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本书共分为6章，从MCU51单片机的软件架构入手，讲解当前软件编程的几种模式。重温重点软件基础知识，并讲解了工业控制体系。着重介绍了嵌入式微系统的设计需求，及整个研发的过程。应用案例详实丰富，并包含软件代码分析、重要模块分析等内容。

自序
引言
第1章　前后台软件架构 1
1.1　MCU51的发展历史 1
1.2　前后台软件架构 3
1.2.1　大循环扫描类型 3
1.2.2　中断触发类型 3
1.2.3　节拍触发类型 4
1.2.4　综合性类型 4
1.3　实用单片机系统 5
1.3.1　目录结构 5
1.3.2　三要素实例 7
1.3.3　消息机制 9
1.3.4　软件定时器 13
1.3.5　按键扫描 17
1.3.6　串口通信 20
1.3.7　计时时钟 23
1.3.8　界面设计 24
1.4　小结 28
第2章　软件基础 30

　　2001年大学毕业后，经兰州大学周庆国教授介绍我进入中科院半导体所工作，师从祝宁华教授、谢亮研究员，第一次真正接触到了MCU51的C语言开发（大学时期接触过单片机汇编）。听谢研究员讲解C语言的优点，尤其是可以写成很多子函数，形成一个个库，便于今后复用，我就想应该设计一套属于自己的C语言库。研究所里的学术氛围很好，对于很多技术问题的讨论都很开放，大家也很看重我的观点，这让我的自信心得到了极大的提升。
　　在研究所工作了近半年之后，在周庆国教授的介绍下我来到了深圳市经纬科技有限公司，跟周荣洁博士做手机设计，因为周博士负责公司软件开发，于是我就从硬件设计人员转变成了一名软件设计人员，主要负责驱动，比如LCD、MIDI音频。那个时候刚进入经纬，C语言没有真正写过，却直接面对大规模的手机软件，难度可想而知，是周博士手把手教我如何看代码，如何理解每一句话的含义，尤其是字库显示部分代码分析，这个场景现在还历历在目。
　　因为有周博士的帮助，加上自身对硬件的理解，我很快上手并获得了公司的认可，这样日子就轻松很多，有了空闲时间。因为掌握了C语言，加上之前接触过MCU51，这时我想把以前建立一套软件库的想法实现，于是在2002年11月左右从周立功公司购买了一套MCU51开发板，型号为DP51，按照参考示例逐个练习，这就是子函数的应用。学了半个月之后，觉得这些太简单了，管理也很麻烦，因为一个个例子、子函数各自独立，无法合在一起，还需要专门给这些子函数建目录，时间一长可能会丢失。因为做过了手机软件，其技术层次远远高于单片机，尤其是平台思想，于是我想引入平台概念，把可能会用到的例子、子函数都在这个平台下管理起来，形成一个有机的整体，这也就是“实用单片机系统”（McuSystem，简称MS）思想的来源。
　　实现的难度往往远大于想法。虽然那时身边有一群软件高手，但他们都不做单片机开发，所以只能靠我自己独立完成MS。如何构建这个平台，把这些例子衔接起来，则基于大学时期学的VB开发，因为它是典型的消息驱动方式，简单、易用，于是我设计了一套消息机制作为核心。在做手机驱动的时候，经常用到系统节拍、软件定时器、串口调试。系统节拍固定时间有一个中断回调，可以实现按键、数码管等例行扫描程序。软件定时器可以用在一些功能超时处理方面，比如进入某个菜单超时退出、按键音、闹钟或者一些游戏、动画，尤其是可以实现一定时间间隔的自我循环，类似一种伪任务。串口调试是因为手机平台过于庞大，需要实时运行，运行无法通过仿真器调试，所以一般用串口来打印信息了解运行情况。后来随着FlashROM技术的成熟，尤其是STC的单片机，支持在线编程ISP，根本不需要用仿真器，那么串口调试就显得很有价值。依靠以上想法，经过两三个月的开发，MS第一版本基本上成型。
　　MS出来的时候，恰好祝教授有测量激光器特性的项目要做，于是基于MS做了两个项目，也进一步完善了细节。过了一年在周立功深圳分公司认识了一位客户，他需要开发基于CAN通信的轮胎硫化设备，但因为资金问题，只让我帮他完成框架，具体的他自己来实现。我基于MS完成框架后让他自己设计，本来以为他不可能实现，最后还会来找我，没想到只懂一点点C语言的他竟然自己搞定了，这让我意识到MS的价值：简单、易用。后来我把MS分享给身边人，尤其是当时还在周立功深圳分公司的陈茂华先生，他对MS大加赞赏，认为MS简单易用，非常适合入门，很有价值，有了他的认同让我感觉到需要进一步完善，并且通过网络分享给大家，2003年我将MS放在21IC电子网站的FTP上共享。
　　2006年来到深圳市华禹高科技有限公司，因为是研发负责人，需要招聘，所以经常在21IC出没。过了一年“程序匠人”搞了一个侃单片机版面的竞选版主活动，我一时兴起，也去参加，竞选的作品是MS3（当时升级为第三个版本）。当时，为了提高MS3的代码质量，还专门让妻子刘颖优化代码（她是计算机系研究生，曾在华为手机部门工作，编程基础远比我强）。竞选活动很是激烈，参与者众多，大家对MS印象较深，感觉不错，受到多数人的肯定与支持，但MS3跟21IC的一个元老级网友“农民讲习所”的一个“通用处理程序”不相上下，双方都有较多的支持者，于是免不了一番激烈的竞争，这进一步推动了MS的扩散。客观地讲，“通用处理程序”跟MS理念有一定的相似性，但出发点完全不同。“通用处理程序”的基本思想来自于RTOS方面，属于主流技术派。相反，MS源自手机的平台思想，是一个开发平台架构，并且因为MS中很少用高难度的技术，甚至都没用指针，编写的代码都很简单、易用，架构清晰明了，让人一目了然，所以很适合入门的嵌入式群体，也获得他们的最大支持。所以在后来的推广中，MS胜出。陈永强（一位后来跟我们一起创业的股东）在看到MS3后，很惊讶原来MCU51还可以这么写程序，于是就这么入了伙。
　　有了这些基础后，我经常收到询问MS3问题的邮件，也有人加我QQ问一些问题，在这个过程中，有个别网友很好奇我是如何把这些元素融合起来的，他们在溯源我当时的想法是什么，但可惜的是，刨根问底的只有很个别的几个网友，而大部分网友只是看代码而已。在询问过程中，我发现大部分网友做的项目过于简单，没有接触复杂的需求，尤其是软件定时器，他们无法理解它是干什么用的，为什么要加入这个功能，而这些问题导致今后的文档注重讲解功能的来源及我当时的想法。后来，我经常把MS3作为公司内部软件招聘和培训之用，一些单片机项目也都以它为基础开发，可以说整个公司都熟悉MS3，这带来了较大的沟通便利性。
　　作为第一版本，MS1还很不成熟，尤其是那个时候，代码写得不多，所以很多细节处理显得幼稚，甚至包括编写规范性，但其思想已经体现。MS2把一些没必要的东西都去掉了，甚至都不包含指针，只需要一颗MCU51即可，可以在Keil仿真器下直接运行。通过UART模拟仿真，最好从MS2入手。MS3是比较成熟的版本，尤其是3.20版本，因为竞选版主打下的基础，所以客户群体比较广泛，实际使用最多，2011年高频感应加热电源项目初期就基于MCU51，用的就是MS3。
　　随着高频感应加热电源的深入，涉及高速信号例行处理（10k/s）,这个时候被迫放弃MCU51而迁移到Cortex M3平台，于是基于NXP的LPC1343把MS3升级为MS4，除了保留原来的功能外，主要引入了函数指针做界面设计，对于简单的项目来说，比较容易实现。此外，根据项目需求把系统节拍按需求细分为10 k/s、1 k/s、100/s、10/s，紧急响应采用中断，I/O状态检测、高速执行用10 k/s，水压、数码管扫描显示之类的用1 k/s，按键扫描用100/s，LCD屏、数码管数据显示用10/s。这样处理可以很好地把低速节拍分散到高速系统节拍中，不堆积在一个节拍中执行，避免单个系统节拍占用时间过长的问题。外部采样检测，一般不建议用中断，尽可能用扫描方式的原因是：一是没有这么多中断口；二是中断容易因为毛刺，导致多次中断无法识别；三是可以采用滤波处理提高抗干扰能力。高频感应加热电源曾经一度想上RTOS实现实时响应，但遭到大家反对，因为那个时候我们对RTOS都不太熟悉，虽然有所了解，但没有真正深入，尤其是实时这个概念都不是很清晰，所以认为深入分析透彻项目需求才是出路，后来准确分析项目需求后，提出了系统节拍的速度分级，很好地解决了实时性问题，系统稳定可靠。
　　MS4基本上没对外宣传，只是在博客中发布过，主要是因为本人精力有限。随着高频感应加热电源的深入，需求越来越复杂，而这些需求大部分都来自界面设计，原有的架构体系不足以支撑复杂的界面，写着写着代码自己都晕，不仅要设计业务逻辑，还要花很多时间设计界面，而这个界面设计又干扰了正常的业务逻辑设计，处理得不好甚至会导致系统混乱，而这不是我想看到的，于是就想要改变了。
　　对于小项目来说，界面设计不复杂，但对于稍微大一些的项目，界面一多，尤其是一些动态数据需要显示，参数需要设置，界面设计就变得相当复杂。此外，黑白LCD驱动一般总线速度不高，显示刷新还不能太快，不然动态数据无法看清，这些导致界面显示必须要与业务逻辑独立分离。复杂的界面需求没有一个简单、统一的标准开发模板，导致在大部分嵌入式项目中，界面部分的代码最难被别人看懂，传承性差。虽然现在有μC/GUI等标准化的界面设计库，但它适合于彩色点阵屏，消耗资源较大，并且系统过于复杂。而很多工业类嵌入式项目一般都用黑白屏，黑白屏具有简单可靠、开发难度低、对处理器要求也低的特点，毕竟工业控制的重点不是界面的色彩，而是系统本身的性能。高频感应加热电源就采用128×64点阵的黑白字库屏，支持8×4个汉字或者16×4个字母。
　　因为界面的这些需求，导致项目越做越复杂，时间长了自己都迷糊，而现实又逼着自己抽身离开高频感应电源项目组去开拓新的业务：机械自动化的可编程逻辑控制器（PLC），所以必须要让继承者掌握这些软件，而继承者基本没有软件基础，虽然在我的指点下，加上他对高频感应电源本身的熟悉，能看懂一些业务逻辑并且能稍做修改，但对于界面设计基本上一头雾水。这些都促使我不得不重新设计全新的系统，解决界面问题，再加上PLC的软件需求，想把两者的需求统一起来一并解决。
　　MS4是基于NXP的LPC1343芯片，这是因为我有朋友出售NXP，容易采购，但NXP的通用性、资料性毕竟没有ST强，客户群体也没有ST广泛，所以在设计新系统的时候，就考虑基于ST最常用的STM32F103来设计。基于驱动库把MS4移植上来，再增加一些高频感应电源上用到的功能。升级后的版本为MS5，属于过渡版本，在2012年年底发布，也没推广。
　　为了解决业务逻辑与菜单界面的分离问题，2012年年底着手学习RTOS，参考了多家RTOS，最终选择客户群体最为广泛的μC/OS-II，因为有资料可以参考。很多网友向我抱怨μC/OS看都看不懂，关于应用，心里抵触感很强。经过一番分析，我发现他们主要是被过多的宏定义、数据结构、指针、不常用的附属功能所困扰，严重地影响了对程序的阅读，他们甚至不知道哪些函数是重点。对我来说，这个问题同样头疼，导致思维不清晰，于是我从精简入手，先把跟系统关系不大的、一些不常用的附属功能去掉，再去掉一些没用的宏，甚至把任务数从64个变成了8个，去掉了复杂的优先级计算，去掉了复杂的链表结构而改用数组，去掉了很多不常用的函数，如删除任务、删除事件之类，这样一个μC/OS只剩下最核心的内核和必要的功能函数，只有3个文件，看起来简单易懂，语法非常简单。之后把MS5与初步精简化的μC/OS整合为一个版本，MS5作为μC/OS的最低优先级任务，因为这个结合了MS，所以就叫msOS，但考虑到种种原因，尤其是有把两个东西强行合在一起的感觉，所以基本上没有推广。
　　做到这儿，自己都迷惑了，如何把MS5的优点与μC/OS完美地结合起来，既解决菜单界面与业务逻辑的分离问题，又保留简单易用的前后台系统？但第一版的msOS这种生硬的结合很不协调，没有解决分离问题，还需要深入分析菜单界面编程到底是怎么回事，于是跟雨滴科技公司的几位软件负责人沟通，我把我的需求告诉了苏鹏，他长期做Linux，曾师从RT-Linux/GPL维护人Nicholas McGuire教授，对开源和互联网具有天然的敏感性。因为他长期负责MTK手机开发和Java设计，所以对界面有非常深入的理解，我们讨论之后，他建议我在MS4下重新构建高频感应加热电源的程序，实践一下菜单界面与业务逻辑的分离。在MS4的消息机制下，把菜单界面用一个低速定时的消息来激活，以更新显示内容，有一点点类似后来的面向对象编程风格，但这种方法会导致一个问题，那就是每次刷屏显示都要从头到尾来一次完整的程序执行，中间不能打断退出，这会导致业务逻辑响应速度降低，所以开发完成之后没有实际使用，但为后来的菜单界面设计奠定了基础。
　　有了这次实践经验，加深了我对菜单界面编程的理解，于是我开始寻找当前主流的菜单界面编程方式。在PC编程中菜单界面技术非常成熟，早期有VB、Delphi、VC等，现在流行的有Java、C#。恰好雨滴科技公司有WinCE项目，用C#开发，而C#则是微软总结了自己这么多年的开发经验，吸收了VB、Delphi、Java、VC的优点整合起来的接近C语言的一门新语言，特点是简单、易用、接地气，这符合我的理念，于是同事向我推荐采用C#，并且做了演示，当时就让我感受到，这正是我想要的东西：一是语法来自于C语言，具有兼容性；二是它的命名法非常好，长命名看词识意，提高了阅读性；三是整个架构设计非常完美，命名空间给我留下很深的印象，可以很好地解决一些大项目的重名问题，尤其是全局变量；四是面向对象设计，可以很好地解决菜单界面问题；五是按照C#模板设计，可以同时把上位机C#编程也学了，之后公司内部可以有很好的语言统一性，而C#跟Java又类似，这些都可以水到渠成。
　　有了C#作为参考模板，接下来的问题就是如何把C语言写成C#风格。C语言没有命名空间这一说法，如何表达？C语言没有直接的面向对象概念，如何建立？于是我把这些问题跟软件人员交流沟通，最后确定下来选择结构体为核心解决命名空间和面向对象设计，代码写作规范一律参考C#，这样便于标准化，再结合精简化的μC/OS，基础框架就搭起来了。与此同时，与其配套的硬件平台msPLC-DEMO也已经开发完成，2013年6月正式开始在其上开发软件全新的msOS。
　　因为准备工作做得比较充足，前期开发比较顺利，并且遵循ARM Cortex微控制器软件接口标准CMSIS提出的分层结构（如下图所示）。
　　把整个系统分为App和System两层，分别存放在两个目录中。
　　App是应用层，存放具体项目的需求；System是系统层，提供各种应用接口，支撑应用层运行。System下一般包含三部分：Device、OS及GUI，也可以扩展其他的中间件，比如Modbus、PID等。