AVR单片机教程——走向高层
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了AVR单片机教程——走向高层相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文隶属于AVR单片机教程系列。
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在系列教程的最后一篇中，我将向你推荐3个可以深造的方向：RTOS、C++、事件驱动。掌握这些技术可以帮助你更快、更好地开发更大的项目。
本文涉及到许多概念性的内容，如果你有不同意见，欢迎讨论。
关于高层
这一篇教程叫作“走向高层”。什么是高层？
我认为，如果寥寥几行代码就能实现一个复杂功能，或者一行代码可以对应到几百句汇编，那么你就站在高层。高层与底层是相对的概念，没有绝对的界限。
站得高，看得远，这同样适用于编程，我们要走向高层。高层是对底层的封装，是对现实的抽象，高层相比于底层更加贴近应用。站在高层，你可以看到很多底层看不到的东西，主要有编程工具和思路。合理利用工具，可以简化代码，降低工作量；用合适的思路编程，更可以事半功倍。
但是，掌握高层并不意味着忽视甚至鄙视底层，高层建立在底层基础之上。其一，有些高层出现的诡异现象可以追溯到底层，这样的debug任务只有通晓底层与高层的开发者才能胜任；其二，为了让高层实现复杂功能的同时获得可接受的运行效率，底层必须设计地更加精致，这就对底层提出了更高的要求。
相信你经过一期和二期的教程，已经相当熟悉AVR编程的底层了。跟我一起走上高层吧！
RTOS
实时操作系统（RTOS）是一类操作系统。带有操作系统的计算机系统相比不带有的，最显著的特点是支持多任务。我们之前写的程序，在监控按键的同时，开了一个定时器中断用于数码管动态扫描，两个任务同时进行，是多任务吗？不完全是。监控按键与动态扫描两个任务只有一个可以占据main函数，另一个必须放在中断里，中断里的任务不能执行太长时间，否则就会干扰main函数的运行。而操作系统中的任务调度器可以给每个任务分配一定的运行时间，CPU一会执行这个，一会执行那个，每个任务都好像独占了CPU连续执行一样。
RTOS与其他操作系统的主要区别在于任务调度器的设计。在RTOS中，所有任务都有优先级，优先级高的被调度器保证优先执行，以获得最短的响应时间。在与现实世界打交道的嵌入式系统中，这样的功能往往是必要的。
操作系统通常需要中档的硬件，8位的AVR稍差了一点，主频和存储容量达不到一些操作系统的要求，不过还是有可选项的。我们来试着在开发板上运行FreeRTOS。FreeRTOS是一个免费的、为单片机设计的RTOS，是目前嵌入式市场占有率第二的操作系统，仅次于Linux。
首先去官网下载代码。下载的是一个.zip压缩包，找到FreeRTOS文件夹，目录下Demo和Source中的部分代码是需要使用的。作为一个跨平台的系统，大多数代码平台无关，只存一份，其他平台相关的代码，每个平台都有独立的实现，源码是demo都是如此，这使得代码组织有些复杂，你可以参考官方文档。
官方提供了ATmega323单片机的demo，为了在开发板上运行，需要做一些修改。demo基于WinAVR平台，它与Atmel Studio一样，都是基于avr-gcc的。如果你有WinAVR的话，直接用makefile就可以编译；Atmel Studio虽然也提供了make，但有些微区别，没法直接用makefile，因此我们自己建立项目来编译。
新建项目，然后在Solution Explorer中建3个文件夹：
source、port和demo。拷贝一些文件到这些目录下：
source：Sourceinclude所有文件、Source下的tasks.c、queue.c、list.c和croutine.c；port：SourceportableGCCATmega323所有文件和SourceportableMemMang`下的heap_1.c；demo：DemoCommoninclude所有文件、DemoCommonMinimal下的crflash.c、integer.c、PollQ.c和comtest.c、DemoAVR_ATMega323_WinAVR除makefile以外的所有文件，再把ParTest.c和serial.c拎出来，main.c拎到外面。
我是怎么知道的呢？我参考了官方文档和
makefile文件。在Solution Explorer中Add Existing Item，在项目属性->Toolchain->AVR/GNU C Compiler->Directories中添加这三个目录。
修改代码，使之适用于我们的开发板：
修改的理由有以下几种：
ATmega323和ATmega324的寄存器略有不同；
WinAVR和Atmel Studio提供的工具链中的一些定义方式不同；
硬件配置与连接不同。
所以需要做以下修改：
port.c中：TIMSK改为TIMSK1；SIG_OUTPUT_COMPARE1A改为TIMER1_COMPA_vect；54行改为0x02；FreeRTOSConfig.h中：48行改为25000000；serial.c中：UDR、UCSRB、UCSRC、UBRRL、UBRRH分别改为UDR0、UCSR0B、UCSR0C、UBRR0L、UBRR0H；67行改为0x00；188行改为ISR(USART0_RX_vect)；207行改为ISR(USART0_UDRE_vect)；comtest.c中：71行改为4；72行改为2；ParTest.c中：DDRB改为DDRC；PORTB改为PORTC；49行改为0x00；50行改为3；72和99行把uxLED改为(4 + uxLED)；76行把if和else的大括号中的语句对调；main.c中：删除81和84行；111行改为0；117行改为3；127行改为2；153行返回类型改为int。
不出意外的话，现在代码可以通过编译了（我这里有3个warning）。下载到单片机上，连接TX和RX，你会发现红灯和黄灯分别以300ms和400ms为周期闪烁，绿灯和串口黄灯一起闪烁，蓝灯不亮。
实际上，程序创建了1个整数计算、2个串口收发、2个队列收发、2个寄存器测试、1个错误检查和1个空闲共9个任务，以及2个LED闪烁协程。每过一毫秒，定时器产生一次中断，任务调度器暂停当前任务，换一个任务开始运行。为了理解这个过程，我们先介绍上下文这个概念。
一个任务在执行的过程中，需要一些临时变量，它们有的保存在栈上（栈是内存中的一块区域，寄存器SP指向栈顶），有的在寄存器中；此外，条件分支语句还要用到寄存器SREG中的位，这些位在之前的语句中被置位或清零；还有记录当前程序执行到哪的程序计数器。这些一起构成了任务执行的上下文：寄存器r0到r31、SREG、SP和PC。不同任务的上下文是不共享的，但它们却要占用相同的位置，为此，在切换任务时需要把前一个上下文保存起来，并恢复要切换到的任务的上下文，这个过程称为上下文切换，然后才能继续这个任务。
我们来结合代码分析一下这个过程。
void TIMER1_COMPA_vect( void ) __attribute__ ( ( signal, naked ) );
void TIMER1_COMPA_vect( void )
{
vPortYieldFromTick();
asm volatile ( "reti" );
}
void vPortYieldFromTick( void ) __attribute__ ( ( naked ) );
void vPortYieldFromTick( void )
{
portSAVE_CONTEXT();
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
vTaskSwitchContext();
}
portRESTORE_CONTEXT();
asm volatile ( "ret" );
}
typedef void TCB_t;
extern volatile TCB_t * volatile pxCurrentTCB;
#define portSAVE_CONTEXT() asm volatile ( "push r0
" "in r0, __SREG__
" "cli
" "push r0
" "push r1
" "clr r1
" "push r2
" "push r3
" "push r4
" "push r5
" "push r6
" "push r7
" "push r8
" "push r9
" "push r10
" "push r11
" "push r12
" "push r13
" "push r14
" "push r15
" "push r16
" "push r17
" "push r18
" "push r19
" "push r20
" "push r21
" "push r22
" "push r23
" "push r24
" "push r25
" "push r26
" "push r27
" "push r28
" "push r29
" "push r30
" "push r31
" "lds r26, pxCurrentTCB
" "lds r27, pxCurrentTCB + 1
" "in r0, 0x3d
" "st x+, r0
" "in r0, 0x3e
" "st x+, r0
" );
#define portRESTORE_CONTEXT() asm volatile ( "lds r26, pxCurrentTCB
" "lds r27, pxCurrentTCB + 1
" "ld r28, x+
" "out __SP_L__, r28
" "ld r29, x+
" "out __SP_H__, r29
" "pop r31
" "pop r30
" "pop r29
" "pop r28
" "pop r27
" "pop r26
" "pop r25
" "pop r24
" "pop r23
" "pop r22
" "pop r21
" "pop r20
" "pop r19
" "pop r18
" "pop r17
" "pop r16
" "pop r15
" "pop r14
" "pop r13
" "pop r12
" "pop r11
" "pop r10
" "pop r9
" "pop r8
" "pop r7
" "pop r6
" "pop r5
" "pop r4
" "pop r3
" "pop r2
" "pop r1
" "pop r0
" "out __SREG__, r0
" "pop r0
" );在定时器中断TIMER1_COMPA_vect中，vPortYieldFromTick被调用，其中依次调用portSAVE_CONTEXT、xTaskIncrementTick、vTaskSwitchContext（可能不调用）和portRESTORE_CONTEXT，执行汇编语句ret；最后执行reti。
在介绍中断的时候，我们提到过编译器添加的额外代码，把用到的寄存器都push进栈。但是，编译器只会保护该中断用到的寄存器，而上下文包括所有寄存器，需要手动地编写代码，那么也就无需编译器添加多余的代码了。函数TIMER1_COMPA_vect被添加attributenaked，表示无需添加任何代码，把用户编写的原原本本地编进去就够了。
进入中断时，PC被push进栈（这是硬件做的），PC内容变为TIMER1_COMPA_vect的地址，随后开始执行，PC再次push进栈（没有在图片中表示出来），开始执行portSAVE_CONTEXT保存上下文。由于它是宏，就没有PC进栈的过程。
然后，r0、SREG、r1到r31依次进栈，上下文的内容保存完成，其位置还需要另存。SP指向栈顶，代表着上下文的位置，它被复制到pxCurrentTCB所指的位置中。pxCurrentTCB实际上是结构体TCB_t指针，该结构体保存着当前执行的任务的信息，前两个字节保存栈指针。这样，上下文就保存完成了。
xTaskIncrementTick把软件计数器加1，并检查是否需要任务切换。为了讲解，我们假定它需要，那么vTaskSwitchContext就会被调用，pxCurrentTCB指向另一个TCB_t变量，那里保存着另一个任务的上下文，我们要恢复它。
恢复过程是，先用pxCurrentTCB取出SP，再按相反的顺序出栈，上下文中就只剩PC没有恢复了（ret和vPortYieldFromTick的调用抵消，一起忽略）。最后执行reti，该汇编语句从栈顶取两个字节放进PC，并跳转到其位置继续执行。此时，PC的内容就是该任务之前被中断时执行到的位置，现在从PC开始继续执行，也就是继续执行该任务。上下文切换完成。
在对FreeRTOS稍有了解后，我们动手写一个基于FreeRTOS的程序。在学习数码管的时候，你很可能考虑过，在后台创建一个任务，执行数码管的扫描。现在，FreeRTOS给了你这个机会。我们创建两个任务，一个每一毫秒显示数码管的一位，另一个每200毫秒更新显示的数字。
#include <stdlib.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include <ee2/segment.h>
SemaphoreHandle_t mutex;
portTASK_FUNCTION(segment_scan, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t digit = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_display(digit);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++digit == 2)
digit = 0;
vTaskDelay(1);
}
}
portTASK_FUNCTION(segment_set, pvParameters)
{
while (1)
{
static uint8_t number = 0;
xSemaphoreTake(mutex, 1000);
segment_dec(number);
xSemaphoreGive(mutex);
if (++number == 100)
number = 0;
vTaskDelay(200);
}
}
int main()
{
segment_init(PIN_8, PIN_9);
mutex = xSemaphoreCreateMutex();
xTaskCreate(segment_scan, "scan", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(segment_set, "set", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);
vTaskStartScheduler();
return 0;
}两个任务都需要使用数码管这一资源。如果一个任务正在调用segment_dec，还没返回时，定时器中断发生，切换到另一个任务，其中调用了segment_display，就会发生冲突。我们用一个互斥量mutex来解决。当一个任务调用了xSemaphoreTake后，在它调用xSemaphoreGive前，mutex会进入锁定状态，如果另一个任务试图调用xSemaphoreTake，则会阻塞住，切换到另一个任务。这样就保证两个任务不会冲突。资源共享是并行程序要着重处理的问题之一。
FreeRTOS还有很多功能等待你去发掘，RTOS就更多了。最后，我们来谈谈RTOS的长处和短处。
RTOS是多任务的，这是对代码顺序执行的编程模型的颠覆，使程序可以实现更多功能，比如两个连续的（不调用delay之类的函数的）任务同时执行。即使是大多数情况下中断可以解决的问题，RTOS的引入也能让你更快地实现相同功能，这既体现在编程思路的改进，还有现成API可供使用，提高开发效率。如果涉及到程序在平台间的移植，RTOS能提供的帮助就更多了。
RTOS是事件驱动的，尽管表面上不太看得出来。这也能带来一些收益，我们将在本文最后一节进行分析。
然而，RTOS的运行负担较大，包括时间和空间，比如在AVR平台上，一次任务调度至少需要100多个指令周期。在应用本身不太复杂的情况下，这一点尤为严重，需要根据应用决定是否使用。我把RTOS安排到了最后一篇，显然是建议在AVR单片机开发中，尽可能不要使用RTOS。
最后，RTOS对个人发展是有好处的。Linux尽管不是RTOS，作为安装量最大的操作系统内核，是嵌入式开发者必须精通的。各种RTOS与Linux一样都是操作系统，无非是调度策略不同（Linux也有实时的），很多内容都是相通的。学习RTOS对学习Linux有很大帮助，这对你的嵌入式道路是有益无害的。
C++
未完待续……
以上是关于AVR单片机教程——走向高层的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章