嵌入式 C语言上下文的快速切换

Posted 2022-01-07 Frey_Liu

前言

我们通常认为，在中断中，不能执行耗时的操作，否则会影响系统的稳定性，尤其对于嵌入式编程。对于带操作系统的程序而言，可以通过操作系统的调度，将中断处理分成两个部分，耗时的操作可以放到线程中去执行，但是对于没有操作系统的情况，又应该如何处理呢

比较常见的，我们可能会定义一些全局变量，作为flag，然后在mainloop中不停的判断这些flag，再在中断中修改这些flag，最后在mainloop中执行具体的逻辑，但是这样，无疑会增加耦合，增加程序维护成本。

cpost

cpost链接:https://github.com/NevermindZZT/cpost
cpost正是应用在这种情况下的一个简单但又十分方便的工具，它可以特别方便的进行上下文的切换，减少模块耦合

cpost借鉴的Android的handler机制，通过在mainloop中跑一个任务，然后在其他地方，可以是中断，也可以是模块逻辑中，直接抛出需要执行的函数，使其脱离调用处的上下文，运行在mainloop中。cpost还支持延迟处理，可以指定函数在抛出后多久执行

使用

cpost的使用十分简单，这里以使用在嵌入式无操作系统中为例，主要用作中断延迟处理的情况

• 配置系统tick
  配置cpost.h中的宏CPOST_GET_TICK()，配置成获取系统tick，以stm32 hal为例
  #define CPOST_GET_TICK() HAL_GetTick()
• 配置处理进程
  在mainloop调用cpostProcess函数

  int main(void)
  
      ...
      while (1)
      
          cpostProcess();
      
      return 0;
  
  

• 抛出任务
  在中断等需要进行上下文切换的地方调用cpsot接口，使其在mainloop中运行
  cpost(intHandler);

原理解析

cpost的原理其实很简单，其代码量也十分少，总共加起来就只有几十行代码，cpost维护了一个而全局的数组

CpostHandler cposhHandlers[CPOST_MAX_HANDLER_SIZE] = 0;

其中，数组的每一个元素表示包含了需要执行的函数和参数，当调用cpost接口时，被post的函数和参数会被保存在这个数组中，然后mainloop中运行的cpostProcess函数会遍历这个数组，当满足条件时，执行对应的函数，从而达到上下文切换的目的

void cpostProcess(void)

    size_t tick;
    for (size_t i = 0; i < CPOST_MAX_HANDLER_SIZE; i++)
    
        if (cposhHandlers[i].handler)
        
            tick = CPOST_GET_TICK();
            if (cposhHandlers[i].time == 0 || 
                (tick >= cposhHandlers[i].time 
                    ? CPOST_GET_TICK() >= cposhHandlers[i].time
                    : CPOST_MAX_TICK - cposhHandlers[i].time + CPOST_GET_TICK()))
            
                cposhHandlers[i].handler(cposhHandlers[i].param);
                cposhHandlers[i].handler = NULL;
            
        
    

cevent

https://github.com/NevermindZZT/cpost

原理

cevent借鉴的是android系统的广播机制，一方面，各模块在工作的时候，都会有多个具体的事件点，在高耦合的编程中，可能会在这些地方调用其他模块的功能，比如说，在通信模块接收到指令的时候，需要闪烁一下指示灯。

使用cevent，我们可以在这些地方抛出一个事件，当前模块不需要关心在这各地方需要执行哪些其他模块的逻辑，由其他模块，或者用户定义一个事件监听，当具体的事件发生时，执行相应的动作。

使用

cevent使用注册的方式监听事件，会依赖于编译环境，目前支持keil，iar，和gcc，对于gcc，需要修改链接文件(.ld)，在只读数据区添加：

_cevent_start = .;
KEEP (*(cEvent))
_cevent_end = .;

1. 初始化cevent
   系统初始化时，调用ceventInit();
2. 注册cevent事件监听
   在c文件中，调用CEVENT_EXPORT(0, handler, (void *)param);导出事件监听
3. 发送cevent事件
   在事件发生的地方，调用ceventPost(0);抛出事件

使用cevent解耦模块初始化

嵌入式编程中，我们习惯会在程序启动的时候，调用各个模块的初始化函数，其实这也是一种耦合，会造成main函数中出现很长的初始化代码，借助cevent，我们可以对初始化进行优化解耦。

1. 定义初始化事件
   定义初始化事件的值，对于初始化，有些模块可能会依赖于其他模块的初始化，会有一个先后顺序要求，所以这里我们可以把初始化分成两个阶段，定义两个事件，当然，如果有更复杂的要求，可以再多分几个阶段，只需要多定义几个事件就行

   #define     EVENT_INIT_STAGE1       0
   #define     EVENT_INIT_STAGE2       1
   

2. 初始化cevent，抛出事件
   在main函数中初始化cevent，并抛出初始化事件

   int main(void)
   
       ...
       ceventInit();
   
       ceventPost(EVENT_INIT_STAGE1);
       ceventPost(EVENT_INIT_STAGE2);
       ...
       return 0;
   
   

3. 注册事件监听
   对所有需要初始化的函数注册事件监听，这里我以对letter-shell注册事件监听为例，分为两个部分，初始化串口和初始化shell。

   在serial模块中，将串口初始化注册到初始化第一阶段，cevent支持将不大于7个的参数直接传递到注册的监听函数中，下面的注册方式，相当于在EVENT_INIT_STAGE1事件发生的地方，也就是main函数中对应的位置，调用serialInit(&debugSerial)

   CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, serialInit, (void *)(&debugSerial));
   

   然后再shell模块中，将shell初始化函数注册到初始化第二阶段。

   CEVENT_EXPORT(EVENT_INIT_STAGE1, shellInit);
   

使用cevent解耦mainloop

再无操作系统的嵌入式编程中，我们如果同时希望运行多个模块的逻辑，通常是在mainloop中循环调用，这种将函数写入mainloop的做法，也会增加耦合

int main(void)

    ...

    while (1)
    
        // 写在mainloop中的模块逻辑
        shellTask(&shell);
        LedProcess();
        ...
    
    return 0;

通过使用cevent，也可以很方便的消除这种耦合

1. 定义mainloop事件
   定义mainloop事件的值

   #define     EVENT_MAIN_LOOP         3
   

2. 在mainloop中抛出事件
   去掉mainloop中对其他模块的调用，改为排除mainloop事件

   int main(void)
   
       ...
   
       while (1)
       
           ceventPost(EVENT_MAIN_LOOP);
       
       return 0;
   
   

3. 在各模块中注册事件监听
   分别在各个模块中，注册对mainloop事件的监听

   CEVENT_EXPORT(EVENT_MAIN_LOOP, shellTask, (void *)(&shell));
   CEVENT_EXPORT(EVENT_MAIN_LOOP, LedProcess);
   

结语

cevent是一个非常小的模块，本身代码及其简单，但是，通过模仿广播机制，让cevent可以发挥很强大的功能，通过，还可以结合cpost，实现延迟事件等功能。