9種單片機(jī)常用的軟件架構(gòu)

1.線性架構(gòu)

這是最簡(jiǎn)單的一種程序設(shè)計(jì)方法，也就是我們?cè)谌腴T時(shí)寫的，下面是一個(gè)使用C語言編寫的線性架構(gòu)示例：

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 延時(shí)函數(shù)，用于產(chǎn)生一定的延遲void delay(unsigned int count) {unsigned int i;while(count--) {for(i = 0; i < 120; i++) {}  // 空循環(huán)，用于產(chǎn)生延遲}}void main() {// 初始設(shè)置P1端口為輸出模式，用于控制LEDP1 = 0xFF;  // 將P1端口設(shè)置為高電平，關(guān)閉所有LEDwhile(1) {  // 無限循環(huán)P1 = 0x00;  // 將P1端口設(shè)置為低電平，點(diǎn)亮所有LEDdelay(500000);  // 調(diào)用延時(shí)函數(shù)，延遲一段時(shí)間P1 = 0xFF;  // 將P1端口設(shè)置為高電平，關(guān)閉所有LEDdelay(500000);  // 再次調(diào)用延時(shí)函數(shù)，延遲相同的時(shí)間}}

2.模塊化架構(gòu)

模塊化架構(gòu)是一種將程序分解為獨(dú)立模塊的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊執(zhí)行特定的任務(wù)。

這種架構(gòu)有助于代碼的重用、維護(hù)和測(cè)試。

下面是一個(gè)使用C語言編寫的模塊化架構(gòu)示例，該程序模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 定義信號(hào)燈的狀態(tài)typedef enum {RED_LIGHT,YELLOW_LIGHT,GREEN_LIGHT} TrafficLightState;// 函數(shù)聲明void initializeTrafficLight(void);void setTrafficLight(TrafficLightState state);void delay(unsigned int milliseconds);// 信號(hào)燈控制主函數(shù)void main(void) {initializeTrafficLight();  // 初始化交通信號(hào)燈while(1) {setTrafficLight(RED_LIGHT);delay(5000);  // 紅燈亮5秒setTrafficLight(YELLOW_LIGHT);delay(2000);  // 黃燈亮2秒setTrafficLight(GREEN_LIGHT);delay(5000);  // 綠燈亮5秒}}// 初始化交通信號(hào)燈的函數(shù)void initializeTrafficLight(void) {// 這里可以添加初始化代碼，比如設(shè)置端口方向、默認(rèn)狀態(tài)等// 假設(shè)P1端口連接了信號(hào)燈，初始狀態(tài)為熄滅（高電平）P1 = 0xFF;}// 設(shè)置交通信號(hào)燈狀態(tài)的函數(shù)void setTrafficLight(TrafficLightState state) {switch(state) {case RED_LIGHT:// 設(shè)置紅燈亮，其他燈滅P1 = 0b11100000;  // 假設(shè)低電平有效，這里設(shè)置P1.0為低電平，其余為高電平break;case YELLOW_LIGHT:// 設(shè)置黃燈亮，其他燈滅P1 = 0b11011000;  // 設(shè)置P1.1為低電平，其余為高電平break;case GREEN_LIGHT:// 設(shè)置綠燈亮，其他燈滅P1 = 0b11000111;  // 設(shè)置P1.2為低電平，其余為高電平break;default:// 默認(rèn)為熄滅所有燈P1 = 0xFF;break;}}// 延時(shí)函數(shù)，參數(shù)是毫秒數(shù)void delay(unsigned int milliseconds) {unsigned int delayCount = 0;while(milliseconds--) {for(delayCount = 0; delayCount < 120; delayCount++) {// 空循環(huán)，用于產(chǎn)生延時(shí)}}}

3.層次化架構(gòu)

層次化架構(gòu)是一種將系統(tǒng)分解為多個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)層次負(fù)責(zé)不同的功能。

著以下是一個(gè)使用C語言編寫的層次化架構(gòu)示例，模擬了一個(gè)具有不同權(quán)限級(jí)別的嵌入式系統(tǒng)。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 定義不同的操作級(jí)別typedef enum {LEVEL_USER,LEVEL_ADMIN,LEVEL_SUPERUSER} OperationLevel;// 函數(shù)聲明void systemInit(void);void performOperation(OperationLevel level);void displayMessage(char* message);// 系統(tǒng)初始化后的主循環(huán)void main(void) {systemInit();  // 系統(tǒng)初始化// 模擬用戶操作performOperation(LEVEL_USER);// 模擬管理員操作performOperation(LEVEL_ADMIN);// 模擬超級(jí)用戶操作performOperation(LEVEL_SUPERUSER);while(1) {// 主循環(huán)可以是空閑循環(huán)或者處理其他低優(yōu)先級(jí)任務(wù)}}// 系統(tǒng)初始化函數(shù)void systemInit(void) {// 初始化系統(tǒng)資源，如設(shè)置端口、中斷等// 這里省略具體的初始化代碼}// 執(zhí)行不同級(jí)別操作的函數(shù)void performOperation(OperationLevel level) {switch(level) {case LEVEL_USER://用戶操作具體代碼break;case LEVEL_ADMIN://管理員操作具體代碼break;case LEVEL_SUPERUSER://超級(jí)用戶操作具體代碼break;}}// 顯示消息的函數(shù)void displayMessage(char* message) {// 這里省略了實(shí)際的顯示代碼，因?yàn)閱纹瑱C(jī)通常沒有直接的屏幕輸出// 消息可以通過LED閃爍、串口輸出或其他方式展示// 假設(shè)通過P1端口的LED展示，每個(gè)字符對(duì)應(yīng)一個(gè)LED閃爍模式// 實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)消息的顯示}

4.事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是一種編程范式，其中程序的執(zhí)行流程由事件（如用戶輸入、傳感器變化、定時(shí)器到期等）觸發(fā)。

在單片機(jī)開發(fā)中，事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)通常用于響應(yīng)外部硬件中斷或軟件中斷。

以下是一個(gè)使用C語言編寫的事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)示例，模擬了一個(gè)基于按鍵輸入的LED控制。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 定義按鍵和LED的狀態(tài)#define KEY_PORT P3  // 假設(shè)按鍵連接在P3端口#define LED_PORT P2  // 假設(shè)LED連接在P2端口// 函數(shù)聲明void delay(unsigned int milliseconds);bit checkKeyPress(void);  // 返回按鍵是否被按下的狀態(tài)（1表示按下，0表示未按下）// 定時(shí)器初始化函數(shù)void timer0Init(void) {TMOD = 0x01;  // 設(shè)置定時(shí)器模式寄存器，使用模式1（16位定時(shí)器）TH0 = 0xFC;   // 設(shè)置定時(shí)器初值，用于產(chǎn)生定時(shí)中斷TL0 = 0x18;ET0 = 1;      // 開啟定時(shí)器0中斷EA = 1;       // 開啟總中斷TR0 = 1;      // 啟動(dòng)定時(shí)器}// 定時(shí)器中斷服務(wù)程序void timer0_ISR() interrupt 1 {// 定時(shí)器溢出后自動(dòng)重新加載初值，無需手動(dòng)重置// 這里可以放置定時(shí)器溢出后需要執(zhí)行的代碼}// 按鍵中斷服務(wù)程序bit keyPress_ISR(void) interrupt 2 using 1 {if(KEY_PORT != 0xFF) // 檢測(cè)是否有按鍵按下{LED_PORT = ~LED_PORT;  // 如果有按鍵按下，切換LED狀態(tài)delay(20);  // 去抖動(dòng)延時(shí)while(KEY_PORT != 0xFF);  // 等待按鍵釋放return 1;  // 返回按鍵已按下}return 0;  // 如果沒有按鍵按下，返回0}// 延時(shí)函數(shù)，參數(shù)是毫秒數(shù)void delay(unsigned int milliseconds) {unsigned int i, j;for(i = 0; i < milliseconds; i++)for(j = 0; j < 1200; j++);  // 空循環(huán)，用于產(chǎn)生延時(shí)}// 主函數(shù)void main(void) {timer0Init();  // 初始化定時(shí)器LED_PORT = 0xFF;  // 初始LED熄滅（假設(shè)低電平點(diǎn)亮LED）while(1){if(checkKeyPress()){  // 檢查是否有按鍵按下事件// 如果有按鍵按下，這里可以添加額外的處理代碼}}}// 檢查按鍵是否被按下的函數(shù)bit checkKeyPress(void) {bit keyState = 0;// 模擬按鍵中斷觸發(fā)，實(shí)際應(yīng)用中需要連接硬件中斷if(1) // 假設(shè)按鍵中斷觸發(fā){keyState = keyPress_ISR();  // 調(diào)用按鍵中斷服務(wù)程序}return keyState;  // 返回按鍵狀態(tài)}

事實(shí)上，真正的事件型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，是非常復(fù)雜的，我職業(yè)生涯的巔峰之作，就是用的事件型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。

5.狀態(tài)機(jī)架構(gòu)

在單片機(jī)開發(fā)中，狀態(tài)機(jī)常用于處理復(fù)雜的邏輯和事件序列，如用戶界面管理、協(xié)議解析等。

以下是一個(gè)使用C語言編寫的有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的示例，模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)售貨機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 定義自動(dòng)售貨機(jī)的狀態(tài)typedef enum {IDLE,COIN_INSERTED,PRODUCT_SELECTED,DISPENSE,CHANGE_RETURNED} VendingMachineState;// 定義事件typedef enum {COIN_EVENT,PRODUCT_EVENT,DISPENSE_EVENT,REFUND_EVENT} VendingMachineEvent;// 函數(shù)聲明void processEvent(VendingMachineEvent event);void dispenseProduct(void);void returnChange(void);// 當(dāng)前狀態(tài)VendingMachineState currentState = IDLE;// 主函數(shù)void main(void){// 初始化代碼（如果有）// ...while(1){// 假設(shè)事件由外部觸發(fā)，這里使用一個(gè)模擬事件VendingMachineEvent currentEvent = COIN_EVENT; // 模擬投入硬幣事件processEvent(currentEvent);  // 處理當(dāng)前事件}}// 處理事件的函數(shù)void processEvent(VendingMachineEvent event){switch(currentState){case IDLE:if(event == COIN_EVENT){// 如果在空閑狀態(tài)且檢測(cè)到硬幣投入事件，則轉(zhuǎn)換到硬幣投入狀態(tài)currentState = COIN_INSERTED;}break;case COIN_INSERTED:if(event == PRODUCT_EVENT){// 如果在硬幣投入狀態(tài)且用戶選擇商品，則請(qǐng)求出貨currentState = PRODUCT_SELECTED;}break;case PRODUCT_SELECTED:if(event == DISPENSE_EVENT){dispenseProduct();  // 出貨商品currentState = DISPENSE;}break;case DISPENSE:if(event == REFUND_EVENT){returnChange();  // 返回找零currentState = CHANGE_RETURNED;}break;case CHANGE_RETURNED:// 等待下一個(gè)循環(huán)，返回到IDLE狀態(tài)currentState = IDLE;break;default:// 如果狀態(tài)非法，重置為IDLE狀態(tài)currentState = IDLE;break;}}// 出貨商品的函數(shù)void dispenseProduct(void){// 這里添加出貨邏輯，例如激活電機(jī)推出商品// 假設(shè)P1端口連接了出貨電機(jī)P1 = 0x00;  // 激活電機(jī)// ... 出貨邏輯P1 = 0xFF;  // 關(guān)閉電機(jī)}// 返回找零的函數(shù)void returnChange(void){// 這里添加找零邏輯，例如激活機(jī)械臂放置零錢// 假設(shè)P2端口連接了找零機(jī)械臂P2 = 0x00;  // 激活機(jī)械臂// ... 找零邏輯P2 = 0xFF;  // 關(guān)閉機(jī)械臂}

6.面向?qū)ο蠹軜?gòu)

STM32的庫，就是一種面向?qū)ο蟮募軜?gòu)。

不過在單片機(jī)由于資源限制，OOP并不像在高級(jí)語言中那樣常見，但是一些基本概念如封裝和抽象仍然可以被應(yīng)用。

雖然C語言本身并不直接支持面向?qū)ο缶幊?，但可以通過結(jié)構(gòu)體和函數(shù)指針模擬一些面向?qū)ο蟮奶匦浴?/p>

下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，展示如何在C語言中模擬面向?qū)ο蟮木幊田L(fēng)格，以51單片機(jī)為背景，創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的LED類。

#include <reg51.h>// 定義一個(gè)LED類typedef struct {unsigned char state;  // LED的狀態(tài)unsigned char pin;    // LED連接的引腳void (*turnOn)(struct LED*);  // 點(diǎn)亮LED的方法void (*turnOff)(struct LED*); // 熄滅LED的方法} LED;// LED類的構(gòu)造函數(shù)void LED_Init(LED* led, unsigned char pin) {led->state = 0;  // 默認(rèn)狀態(tài)為熄滅led->pin = pin;   // 設(shè)置LED連接的引腳}// 點(diǎn)亮LED的方法void LED_TurnOn(LED* led) {// 根據(jù)引腳狀態(tài)點(diǎn)亮LEDif(led->pin < 8) {P0 |= (1 << led->pin);  // 假設(shè)P0.0到P0.7連接了8個(gè)LED} else {P1 &= ~(1 << (led->pin - 8));  // 假設(shè)P1.0到P1.7連接了另外8個(gè)LED}led->state = 1;  // 更新狀態(tài)為點(diǎn)亮}// 熄滅LED的方法void LED_TurnOff(LED* led) {// 根據(jù)引腳狀態(tài)熄滅LEDif(led->pin < 8) {P0 &= ~(1 << led->pin);  // 熄滅P0上的LED} else {P1 |= (1 << (led->pin - 8));  // 熄滅P1上的LED}led->state = 0;  // 更新狀態(tài)為熄滅}// 主函數(shù)void main(void) {LED myLed;  // 創(chuàng)建一個(gè)LED對(duì)象LED_Init(&myLed, 3);  // 初始化LED對(duì)象，連接在P0.3// 給LED對(duì)象綁定方法myLed.turnOn = LED_TurnOn;myLed.turnOff = LED_TurnOff;// 使用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格控制LEDwhile(1) {myLed.turnOn(&myLed);  // 點(diǎn)亮LED// 延時(shí)myLed.turnOff(&myLed); // 熄滅LED// 延時(shí)}}

這段代碼定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體LED，模擬面向?qū)ο笾械摹邦悺?/p>

這個(gè)示例僅用于展示如何在C語言中模擬面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格，并沒有使用真正的面向?qū)ο缶幊陶Z言的特性，如繼承和多態(tài)，不過對(duì)于單片機(jī)的應(yīng)用，足以。

7.基于任務(wù)的架構(gòu)

這種我最喜歡用，結(jié)構(gòu)，邏輯清晰，每個(gè)任務(wù)都能靈活調(diào)度。

基于任務(wù)的架構(gòu)是將程序分解為獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行特定的工作。

在單片機(jī)開發(fā)中，如果沒有使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，我們可以通過編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的輪詢調(diào)度器來模擬基于任務(wù)的架構(gòu)。

以下是一個(gè)使用C語言編寫的基于任務(wù)的架構(gòu)的示例，該程序在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

為了簡(jiǎn)化，我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的輪詢調(diào)度器來在兩個(gè)任務(wù)之間切換：一個(gè)是按鍵掃描任務(wù)，另一個(gè)是LED閃爍任務(wù)。

#include <reg51.h>// 假設(shè)P1.0是LED輸出sbit LED = P1^0;// 全局變量，用于記錄系統(tǒng)Tickunsigned int systemTick = 0;// 任務(wù)函數(shù)聲明void taskLEDBlink(void);void taskKeyScan(void);// 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序，用于產(chǎn)生Tickvoid timer0_ISR() interrupt 1 using 1 {// 定時(shí)器溢出后自動(dòng)重新加載初值，無需手動(dòng)重置systemTick++;  // 更新系統(tǒng)Tick計(jì)數(shù)器}// 任務(wù)調(diào)度器，主函數(shù)中調(diào)用，負(fù)責(zé)任務(wù)輪詢void taskScheduler(void) {// 檢查系統(tǒng)Tick，決定是否執(zhí)行任務(wù)// 例如，如果我們需要每1000個(gè)Tick執(zhí)行一次LED閃爍任務(wù)if (systemTick % 1000 == 0){taskLEDBlink();}// 如果有按鍵任務(wù)，可以類似地檢查Tick并執(zhí)行if (systemTick % 10 == 0){taskKeyScan();}}// LED閃爍任務(wù)void taskLEDBlink(void) {static bit ledState = 0;  // 用于記錄LED的當(dāng)前狀態(tài)ledState = !ledState;  // 切換LED狀態(tài)LED = ledState;         // 更新LED硬件狀態(tài)}// 按鍵掃描任務(wù)（示例中省略具體實(shí)現(xiàn)）void taskKeyScan(void) {// 按鍵掃描邏輯}// 主函數(shù)void main(void) {// 初始化LED狀態(tài)LED = 0;// 定時(shí)器0初始化設(shè)置TMOD &= 0xF0;  // 設(shè)置定時(shí)器模式寄存器，使用模式1（16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）TH0 = 0x4C;     // 設(shè)置定時(shí)器初值，產(chǎn)生定時(shí)中斷（定時(shí)周期取決于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率）TL0 = 0x00;ET0 = 1;        // 允許定時(shí)器0中斷EA = 1;         // 允許中斷TR0 = 1;        // 啟動(dòng)定時(shí)器0while(1){taskScheduler();  // 調(diào)用任務(wù)調(diào)度器}}

這里只是舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這個(gè)代碼示例，比較適合51和stm8這種資源非常少的單片機(jī)。

8.代理架構(gòu)

這個(gè)大家或許比較少聽到過，但在稍微復(fù)雜的項(xiàng)目中，是非常常用的。

在代理架構(gòu)中，每個(gè)代理（Agent）都是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，它封裝了特定的決策邏輯和數(shù)據(jù)，并與其他代理進(jìn)行交互。

在實(shí)際項(xiàng)目中，需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)或模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)特定的功能，并通過某種機(jī)制（如消息隊(duì)列、事件觸發(fā)等）進(jìn)行通信。

這種方式可以大大提高程序可擴(kuò)展性和可移植性。

以下是一個(gè)LED和按鍵代理的簡(jiǎn)化模型。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 假設(shè)P3.5是按鍵輸入，P1.0是LED輸出sbit KEY = P3^5;sbit LED = P1^0;typedef struct {unsigned char pin;    // 代理關(guān)聯(lián)的引腳void (*action)(void); // 代理的行為函數(shù)} Agent;// 按鍵代理的行為函數(shù)聲明void keyAction(void);// LED代理的行為函數(shù)聲明void ledAction(void);// 代理數(shù)組，存儲(chǔ)所有代理的行為和關(guān)聯(lián)的引腳Agent agents[] ={{5, keyAction},  // 按鍵代理，關(guān)聯(lián)P3.5{0, ledAction}   // LED代理，關(guān)聯(lián)P1.0};// 按鍵代理的行為函數(shù)void keyAction(void) {if(KEY == 0) // 檢測(cè)按鍵是否被按下{LED = !LED;   // 如果按鍵被按下，切換LED狀態(tài)while(KEY == 0);  // 等待按鍵釋放}}// LED代理的行為函數(shù)void ledAction(void) {static unsigned int toggleCounter = 0;toggleCounter++;if(toggleCounter == 500)  // 假設(shè)每500個(gè)時(shí)鐘周期切換一次LED{LED = !LED;               // 切換LED狀態(tài)toggleCounter = 0;        // 重置計(jì)數(shù)器}}// 主函數(shù)void main(void) {unsigned char agentIndex;// 主循環(huán)while(1){for(agentIndex = 0; agentIndex < sizeof(agents) / sizeof(agents[0]); agentIndex++){// 調(diào)用每個(gè)代理的行為函數(shù)(*agents[agentIndex].action)(); // 注意函數(shù)指針的調(diào)用方式}}}

9.組件化架構(gòu)

組件化架構(gòu)是一種將軟件系統(tǒng)分解為獨(dú)立、可重用組件的方法。

將程序分割成負(fù)責(zé)特定任務(wù)的模塊，如LED控制、按鍵處理、傳感器讀數(shù)等。

每個(gè)組件可以獨(dú)立開發(fā)和測(cè)試，然后被組合在一起形成完整的系統(tǒng)。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的組件化架構(gòu)示例，模擬了一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中的LED控制和按鍵輸入處理兩個(gè)組件。

為了簡(jiǎn)化，組件間的通信將通過直接函數(shù)調(diào)用來模擬。

#include <reg51.h>  // 包含51系列單片機(jī)的寄存器定義// 定義組件結(jié)構(gòu)體typedef struct {void (*init)(void);      // 組件初始化函數(shù)void (*task)(void);       // 組件任務(wù)函數(shù)} Component;// 假設(shè)P3.5是按鍵輸入，P1.0是LED輸出sbit KEY = P3^5;sbit LED = P1^0;// LED組件void LED_Init(void) {LED = 0;  // 初始化LED狀態(tài)為關(guān)閉}void LED_Task(void) {static unsigned int toggleCounter = 0;toggleCounter++;if (toggleCounter >= 1000) // 假設(shè)每1000個(gè)時(shí)鐘周期切換一次LED{LED = !LED;                // 切換LED狀態(tài)toggleCounter = 0;         // 重置計(jì)數(shù)器}}// 按鍵組件void KEY_Init(void) {// 按鍵初始化代碼}void KEY_Task(void) {if (KEY == 0) // 檢測(cè)按鍵是否被按下{LED = !LED;  // 如果按鍵被按下，切換LED狀態(tài)while(KEY == 0);  // 等待按鍵釋放}}// 組件數(shù)組，存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有組件的初始化和任務(wù)函數(shù)Component components[] ={{LED_Init, LED_Task},{KEY_Init, KEY_Task}};// 系統(tǒng)初始化函數(shù)，調(diào)用所有組件的初始化函數(shù)void System_Init(void) {unsigned char componentIndex;for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++){components[componentIndex].init();}}// 主循環(huán)，調(diào)用所有組件的任務(wù)函數(shù)void main(void) {System_Init();  // 系統(tǒng)初始化while(1){unsigned char componentIndex;for (componentIndex = 0; componentIndex < sizeof(components) / sizeof(components[0]); componentIndex++){components[componentIndex].task();  // 調(diào)用組件任務(wù)}}}