嵌入式软件开发常用的三种架构你知道吗

摘要 ：对于单片机程序来说，大家都不陌生，但是真正使用架构，考虑架构的恐怕并不多，随着程序开发的不断增多，架构是非常必要的。

应用程序的架构大致有三种：

1、 简单的前后台顺序执行程序 ，这类写法是大多数人使用的方法，不需用思考程序的具体架构，直接通过执行顺序编写应用程序即可。

2、 时间片轮询法 ，此方法是介于顺序执行与 *** 作系统之间的一种方法。

3、 *** 作系统 ，此法应该是应用程序编写的最高境界。

1、前后台顺序执行法

这是初学者们常用的程序框架设计方案，不用考虑太多东西，代码简单，或者对系统的整体实时性和并发性要求不高；初始化后通过 while(1){} 或 for(;;) {}`循环不断调用自己编写完成的函数，也基本不考虑每个函数执行所需要的时间，大部分情况下函数中或多或少都存在毫秒级别的延时等待。

以下是在校期间做的寝室防盗系统的部分代码（当时也存在部分BUG，没有解决。现在再看，其实很多问题，而且比较严重，比如中断服务函数内竟然有3000ms延时，这太可怕了，还有串口发送等等；由于实时性要求不算太高，因此主函数中的毫秒级别延时对系统运行没有多大影响，当然除BUG外；若是后期需要维护，那就是一个大工程，还不如推翻重写 )：

介于 前后台顺序执行法 和 *** 作系统 之间的一种程序架构设计方案。该设计方案需能帮助嵌入式软件开发者更上一层楼，在嵌入式软件开发过程中，若遇到以下几点，那么该设计方案可以说是最优选择，适用于程序较复杂的嵌入式系统；

该设计方案需要使用一个定时器，一般情况下定时1ms即可（定时时间可随意定，但中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差），因此需要考虑到每个任务函数的执行时间，建议不能超过1ms（能通过程序优化缩短执行时间则最好优化，如果不能优化的，则必须保证该任务的执行周期必须远大于任务所执行的耗时时间），同时要求主循环或任务函数中不能存在毫秒级别的延时。

以下介绍两种不同的实现方案，分别针对无函数指针概念的朋友和想进一步学习的朋友。

1、无函数指针的设计方式

2、含函数指针的设计方式

嵌入式 *** 作系统EOS( Embedded OperatingSystem )是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域，而对于单片机来说，比较常用的有UCOS、FreeRTOS、 RT-Thread Nano和RTX 等多种抢占式 *** 作系统(其他如Linux等 *** 作系统不适用于单片机)

*** 作系统和“ 时间片论法 ”，在任务执行方面来说， *** 作系统对每个任务的耗时没有过多的要求，需要通过设置每个任务的优先级，在高优先级的任务就绪时，会抢占低优先级的任务； *** 作系统相对复杂，因此这里没有详细介绍了。

关于如何选择合适的 *** 作系统( uCOS 、 FreeRTOS 、 RTThread 、 RTX 等RTOS的对比之特点：

借网上一张对比图：

从上述的对比中可以看出，时间片轮询法的优势还是比较大的，它既有前后台顺序执行法的优点，也有 *** 作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解，所以这种是比较常用的单片机设计框架。

freertos临界区不能能进行系统调度。

临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性；当有线程进入临界区时，其他线程或是进程必须等待。总的概括来说就是在执行该程序片段区间，不允许其他东西干扰到。

像我们在 MCU上面跑实时 *** 作系统，一般都是单核单进程的，而一个进程可以拥有多个线程；FreeRTOS是主要以抢占式任务调度为主（通过 PendSV中断），以时间片轮转调度任务为辅（通过 SysTick系统节拍器中断）的实时 *** 作系统，并且可支持同等优先级切换，具体配置可以看 FreeRTOS篇章之 FreeRTOSConfigh分析；而刚讲的线程其实就相当于我们用 xTaskCreate函数创建的各种任务。在这里，我们要实现临界区 *** 作，那么就相当于要保证当前所处在的需要保护的代码片段不要受其他任务（线程）的干扰（例如同等优先级的切换、中断的触发）。

嵌入式C语言重点知识点

嵌入式LINUX

嵌入式Linux 是将日益流行的Linux *** 作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种 *** 作系统。Linux做嵌入式的优势，首先，Linux是开放源代码;其次，Linux的内核小、效率高，可以定制，其系统内核最小只有约134KB;第三，Linux是免费的OS，Linux还有着嵌入式 *** 作系统所需要的很多特色，突出的就是Linux适应于多种CPU和多种硬件平台而且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。同时，Linux内核的结构在网络方面是非常完整的，Linux对网络中最常用的TCP/IP协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，Token Ring(令牌环网)、光纤甚至卫星的支持。

移植步骤：

1Bootloader的移植;

2嵌入式Linux *** 作系统内核的移植;

3嵌入式Linux *** 作系统根文件系统的创建;

4电路板上外设Linux驱动程序的编写。

WinCE

WinCE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式 *** 作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备 *** 作系统，它是精简的Windows 95，Win CE的图形用户界面相当出色。WinCE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的 *** 作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。 *** 作系统的基本内核需要至少200K的ROM。

一般来说，一个WinCE系统包括四层结构：应用程序、WinCE内核映像、板级支持包(BSP)、硬件平台。而基本软件平台则主要由WinCE系统内核映像(OS Image)和板卡支持包(BSP)两部分组成。因为WinCE系统是一个软硬件紧密结合的系统，因此即使CPU处理器相同，但是如果开发板上的外围硬件不相同，这个时候还是需要修改BSP来完成一个新的BSP。因此换句话说，就是WinCE的移植过程主要是改写BSP的过程。

Android

Android 是一个包括 *** 作系统，中间件以及一些重要应用程序的专门针对移动设备的层次结构的软件集。Android 作为一个完全开源的 *** 作系统，是由 *** 作系统Linux、中间件以及核心应用程序组成的软件栈。通过 android SDK 提供的 API 以及相应的开发工具， 程序员可以很方便的开发android平台上的应用程序。其整个系统由应用程序，应用程序框架，应用程序库，Android运行库，Linux内核(Linux Kernel)五个部分组成。Android *** 作系统内置了一部分应用程序， 包括电子邮件客户端、SMS程序、日历、地图、浏览器、通讯录以及其他的程序，值得一提的是这些所有的程序都是用java编写的。

移植的主要的工作是驱动，硬件抽象层的移植。为了更好地理解和调试系统，也应该适当地了解上层对硬件抽象层的调用情况。

TinyOS

TinyOS是一个开源的嵌入式 *** 作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发出来的，主要应用于无线传感器网络方面。程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小，一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右，能够突破传感器存储资源少的限制。TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件(A Wiring Specification)将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。

嵌入式实时 *** 作系统(RTOS)

在工业控制、 军事设备、航空航天等领域对系统的响应时间有苛刻的要求，这就需要使用实时系统。当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的嵌入式 *** 作系统。故对嵌入式实时 *** 作系统的理解应该建立在对嵌入式系统的理解之上加入对响应时间的要求。

FreeRTOS

FreeRTOS是一个迷你 *** 作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的 *** 作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS任务可选择是否共享堆栈，并且没有任务数限制，多个任务可以分配相同的优先权。相同优先级任务的轮转调度，同时可设成可剥夺内核或不可剥夺内核。

FreeRTOS 的移植主要需要改写如下三个文件。

1portmacroh

2portc

3 portasm

μTenux

μTenux基于ARM微控制器平台，对uT最适用于ARM Cortex M0-M4系列的微控制器，代码开源、免费，是一个功能强大的抢占式实时多任务 *** 作系统。μTenux除具有实时嵌入式 *** 作系统的一般特性：可移植性，可固化，可裁剪等特性以外，它还具有如下优点：

(1)微内核。无MMU， ROM/RAM占用量小，所占ROM最大60KB，最小10KB;RAM最大12KB，最小2KB;

(2)开源免费;

(3)支持所有32位ARM7/9和Cortex M系列的微控制器;

(4)可配置多达到256个任务以及140个任务优先级;

(5)有良好的商业支持， T-Engine论坛进行总的维护。

移植主要包括：芯片系统时钟移植，外设移植和通用输出/输入端口的移植以及看门狗模块移植。由于考虑到内核代码的重要性以及其在整个移植中的重要意义，且为了整个系统有更好的实时性，可选用汇编语言编写 *** 作系统的启动代码。

VxWorks

VxWorks系统提供多处理器间和任务间高效的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接字。实时系统的另一关键特性是硬件中断处理。为了获得最快速可靠的中断响应，VxWorks系统的中断服务程序ISR有自己的上下文。VxWorks实时 *** 作系统由400多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动链接一些目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得到许多满足功能需求的应用。

移植过程可以参考网络上一些BSP代码，BSP的英文全称为board support package，即板级支持包，它的作用是针对特殊的硬件平台，为VxWorks内核提供 *** 作的接口。

μClinux

嵌入式Linux作为一个开放源代码的 *** 作系统，以价格低廉、功能强大又易移植的特性正在被广泛应用，μClinux是专门针对没有MMU的处理器而设计的嵌入式Linux，非常适合中低端嵌入式系统的需求。 在GNU通用公共许可证的授权下，μClinux *** 作系统的用户可以使用几乎所有Linux的API函数，不会因为没有内存管理单元MMU而受到影响;而且，μClinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux，体积小了，但是仍然保留了Linux的大多数的优点，比如稳定性好、强大的网络功能、良好的可移植性、完备的文件系统支持功能、以及标准丰富的应用程序接口API等，可以支持类似ARM7TDMI等类型多的小巧玲珑的中央处理器。

eCos

eCos中文翻译为嵌入式可配置 *** 作系统或嵌入式可配置实时 *** 作系统。适合于深度嵌入式应用，主要应用对象包括消费电子、电信、车载设备、手持设备以及其他一些低成本和便携式应用。eCos是一种开发源代码软件，无任何版权费用。 eCos最大的特点是模块化，内核可配置。如果说嵌入式Linux太庞大了，那么eCos可能就能够满足要求。它是一个针对16位、32位和64位处理器的可移植开放源代码的嵌入式RTOS。和嵌入式Linux不同，它是由专门设计嵌入式系统的工作组设计的。eCos具有相当丰富的特性和一个配置工具，后者能够让你选取你所需要的特性。

eCos的软件分了若干的模块，移植工作主要在他的hal层进行，所谓hal(硬件抽象层)就是把和硬件相关的软件凑到一起。

μC/OS-II

μC/OS-II是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。μC/OS-II绝大部分的代码是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编代码，使之可供不同架构的微处理器使用。其结构小巧简洁且支持抢占式的多任务调度与管理。此实时 *** 作系统管理任务数多达64个，且提供内部程序存储器管理、系统运行时间管理、多任务实时调度与管理等功能。由于它的作者占用和保留了8个任务，所以留给用户应用程序最多可有56个任务。赋予各个任务的优先级必须是不相同的。这意味着μC/OS-II不支持时间片轮转调度法。μC/OS-II为每个任务设置独立的堆栈空间，可以快速实现任务切换。

将μC/OS-II *** 作系统移植到目标处理器上，需要从硬件和软件两方面来考虑。硬件方面，目标处理器需满足以下条件：

①处理器的C编译器能产生可重入代码;

②用C语言可以开/关中断;

③处理器支持中断，并且能够产生定时中断(通常在10～1000 Hz之间);

④处理器能够支持容纳一定量数据的硬件堆栈;

⑤处理器有将堆栈指针和其他寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。

软件方面，主要是一些与处理器相关的代码移植，其分布在OS_CPUH、OS_CPU_CC和OS_CPU_AASM这3个不同的文件中。

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