有沒有適用于STM32的裸機(jī)編程架構(gòu)或思路？

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟 · 發(fā)表于 2024-11-9 08:00:00

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裸機(jī)編程確實(shí)可以減少系統(tǒng)復(fù)雜性，提升對資源的掌控能力。

在考慮裸機(jī)編程的架構(gòu)時(shí)，可以通過以下幾個(gè)思路構(gòu)建更加健壯和穩(wěn)定的系統(tǒng)。
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模塊化架構(gòu)
這種架構(gòu)提高了代碼的可讀性和復(fù)用性，并使問題定位更加方便。模塊間的解耦也使得后續(xù)功能擴(kuò)展更加靈活。

硬件抽象層 (HAL)：實(shí)現(xiàn)底層硬件的訪問，包括GPIO、UART、SPI等，所有外設(shè)訪問都通過HAL接口。這種抽象不僅簡化了硬件操作，還便于后續(xù)移植到不同的STM32型號。

驅(qū)動(dòng)層：在HAL基礎(chǔ)上封裝具體外設(shè)功能，如傳感器驅(qū)動(dòng)、存儲器驅(qū)動(dòng)等。每個(gè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)盡量獨(dú)立，遵循單一責(zé)任原則。

服務(wù)層：提供常用功能的中間層，如定時(shí)器服務(wù)、事件調(diào)度器等。服務(wù)層可以幫助處理通用任務(wù)，減少應(yīng)用層的復(fù)雜性。

應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)最終的應(yīng)用邏輯。應(yīng)用層應(yīng)專注于業(yè)務(wù)邏輯，而非硬件細(xì)節(jié)。

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事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)
這種方法避免了復(fù)雜的中斷嵌套，簡化了調(diào)試過程，并能輕松擴(kuò)展新的事件處理邏輯。

使用硬件中斷（如定時(shí)器、UART接收）產(chǎn)生事件，并將這些事件存儲到事件隊(duì)列中。

在主循環(huán)中不斷檢查事件隊(duì)列，處理相應(yīng)的事件。

由于裸機(jī)編程往往缺乏操作系統(tǒng)的調(diào)度功能，可以采用事件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)來模擬任務(wù)調(diào)度。具體步驟如下：
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基于定時(shí)器的調(diào)度機(jī)制

使用硬件定時(shí)器來模擬簡易的調(diào)度機(jī)制，引入“時(shí)間片”概念。

設(shè)定不同定時(shí)器來觸發(fā)任務(wù)，使高優(yōu)先級任務(wù)在更短時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行，而低優(yōu)先級任務(wù)則被延后處理。

這種機(jī)制有助于降低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
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有限狀態(tài)機(jī) (FSM)

為每個(gè)模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)，并在主循環(huán)中定期輪詢狀態(tài)。

狀態(tài)機(jī)方法清晰地描述系統(tǒng)行為和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，便于調(diào)試和維護(hù)。

可以使用狀態(tài)表或狀態(tài)圖的方式來描述狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換，使得狀態(tài)管理更加直觀。
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改進(jìn)調(diào)試方法

周期性心跳檢測：通過LED或串口輸出定期報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)，有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。

監(jiān)控看門狗：在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，通過看門狗定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，避免長時(shí)間的卡死狀態(tài)。

啟用硬件異常捕獲：利用硬件斷點(diǎn)、錯(cuò)誤向量捕獲（如HardFault、MemManage等）來捕捉異常，有助于定位問題。
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常見裸機(jī)編程架構(gòu)推薦

大循環(huán) + 中斷 (Super Loop + Interrupts)：適用于功能不復(fù)雜、任務(wù)較少的場景。中斷中僅進(jìn)行事件標(biāo)記或簡單數(shù)據(jù)采集，具體任務(wù)在主循環(huán)中處理。

事件隊(duì)列架構(gòu)：事件隊(duì)列設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)響應(yīng)性，適用于任務(wù)較多或時(shí)間要求較高的系統(tǒng)。

時(shí)間片輪詢架構(gòu)：適合有多個(gè)定時(shí)性任務(wù)的場景，通過時(shí)間片調(diào)度不同的任務(wù)。

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實(shí)踐中的建議

減少全局變量的使用：在裸機(jī)環(huán)境下，避免全局變量引起的競爭問題，使用局部變量或傳遞參數(shù)的方式。

小心使用中斷：控制中斷嵌套深度，中斷函數(shù)應(yīng)保持簡潔快速，盡量避免長時(shí)間占用中斷。

內(nèi)存管理：設(shè)計(jì)好內(nèi)存管理策略，避免動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配帶來的碎片化問題，使用靜態(tài)分配方式盡量確保內(nèi)存使用的高效性。

配置和初始化的分離：將外設(shè)的配置和初始化代碼獨(dú)立為函數(shù)，便于管理和復(fù)用。

這些建議和思路可以幫助你快速搭建一個(gè)穩(wěn)健的裸機(jī)編程框架，通過良好的代碼結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)習(xí)慣減少復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。