淺談單片機程序設計中的“分層思想”

　　“分層思想”并不是什么神秘的東西，事實(shí)上很多做項目的工程師本身自己也會(huì )在用?？戳瞬簧偬佣及l(fā)現沒(méi)有提及這個(gè)東西，然而分層結構確是很有用的東西，參透后會(huì )有一種恍然大悟的感覺(jué)。如果說(shuō)我不懂LCD怎么驅動(dòng)，那好辦，看一下datasheet，參考一下別人的程序，很快就可以做出來(lái)。但是如果不懂程序設計的思想的話(huà)，會(huì )給你做項目的過(guò)程中帶來(lái)很多很多的困惑。

　　參考了市面上各種各樣的嵌入式書(shū)籍，MCS-51，AVR ，ARM 等都有看過(guò)，但是沒(méi)有發(fā)現有哪本是介紹設計思想的，就算有也是鳳毛麟角。寫(xiě)程序不難，但是程序怎么樣才能寫(xiě)的好，寫(xiě)的快，那是需要點(diǎn)經(jīng)驗積累的。結構化模塊化的程序設計的思想，是最基本的要求。然而怎么將這個(gè)抽象的概念運用到工程實(shí)踐當中呢?那需要在做項目的過(guò)程中經(jīng)歷磨難，將一些東西總結出來(lái)，抽象升華為理論，對經(jīng)驗的積累和技術(shù)的傳播都大有裨益。所以在下出來(lái)獻丑一下，總結一些東西。就我個(gè)人的經(jīng)驗而談，有兩個(gè)設計思想是非常重要的。

　　一個(gè)就是“時(shí)間片輪的設計思想”，這個(gè)對實(shí)際中解決多任務(wù)問(wèn)題非常有用，通?？梢杂眠@個(gè)東西來(lái)判斷一個(gè)人是單片機學(xué)習者，還是一個(gè)單片機工程師。這個(gè)必須掌握。由于網(wǎng)上介紹這個(gè)的帖子也不少，所以這里就不多說(shuō)了。

　　第二個(gè)就是我今天想說(shuō)的主題“分層屏蔽的設計思想”。下面用掃描鍵盤(pán)程序例子作為引子，引出今天說(shuō)的東西。

　　問(wèn)題的提出 ：單片機學(xué)習板一般為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將按鍵分配的很好，例如整個(gè) 4*4 的鍵盤(pán)矩陣分配到P1口上面，8條控制線(xiàn)，剛好。這樣的話(huà)程序也非常好寫(xiě)。只需要簡(jiǎn)單的

　　KEY_DAT = P1;

　　端口的數據就讀進(jìn)來(lái)了。誠然，現實(shí)中沒(méi)有這么好的事情。在實(shí)際的項目應用當中，單片機引腳的復用相當厲害，這跟那些所謂的單片機學(xué)習板就有很大的差別了。

　　另外一個(gè)原因，一般設計來(lái)說(shuō)，是“軟件配合硬件”的設計流程，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是，先確定好硬件原理圖，硬件布線(xiàn)，最后才是軟件的開(kāi)發(fā)，因為硬件修改起來(lái)比較麻煩，相對來(lái)說(shuō)軟件修改的時(shí)候比較好改。這個(gè)就是中國傳統的陰陽(yáng)平衡哲學(xué)原理。硬件設計和軟件設計本來(lái)就是魚(yú)和熊掌的關(guān)系，兩者不可兼得。方便了硬件設計，很可能給寫(xiě)軟件帶來(lái)很大的麻煩。反過(guò)來(lái)說(shuō)，方便了軟件設計，硬件設計也會(huì )相當的麻煩。如果硬件設計和軟件設計同時(shí)方便了，那只有兩種可能，一是這個(gè)設計方案非常簡(jiǎn)單，二是設計師已經(jīng)達到了一個(gè)非常高的境界。我們不考慮那么多情況，單純從常用的實(shí)際應用的角度來(lái)看問(wèn)題。 硬件為了布線(xiàn)的方便，很多時(shí)候會(huì )可能將IO口分配到不同的端口上面，例如上面說(shuō)的4*4鍵盤(pán)，8根線(xiàn)分別分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么，開(kāi)發(fā)板的那些掃描鍵盤(pán)程序可以去見(jiàn)鬼了。怎么掃按鍵?我想起了我剛開(kāi)始學(xué)習的時(shí)候，分成3段非常相似的程序，一個(gè)一個(gè)按鍵的掃描的經(jīng)歷...... 或許有人不甘心，“那些東西我花了很長(cháng)時(shí)間學(xué)習的，也用的好好的，怎么能說(shuō)一句不用就不用?”雖然有點(diǎn)殘忍，但是我還是想說(shuō)“兄弟，接受現實(shí)吧，現實(shí)是殘酷的......”

　　不過(guò)，人區別于低等動(dòng)物的差別，是人會(huì )創(chuàng )造，在碰到困難的時(shí)候會(huì )想辦法解決，于是我們開(kāi)始了沉思...... 后我們引入初中數學(xué)學(xué)的“映射”的概念來(lái)解決問(wèn)題?；舅枷刖褪?，將不同端口的按鍵映射到相同端口上面。

　　這樣按鍵掃描程序就分成3個(gè)層次了。

　　1)最底層的是硬件層，完成端口掃描，20ms延時(shí)消抖，將端口的數據映射到一個(gè)KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作為對上層驅動(dòng)層的一個(gè)接口。

　　2)中間的一層是驅動(dòng)層，驅動(dòng)層只對 KEY_DAT 寄存器的數值進(jìn)行操作。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，我們無(wú)論底層的硬件是怎么接線(xiàn)的，在驅動(dòng)層都不需要關(guān)心，只需要關(guān)心 KEY_DAT 這個(gè)寄存器的數值是什么就可以了。這樣出來(lái)的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”，所以驅動(dòng)層寫(xiě)的程序就可以通用了。驅動(dòng)層的另外一個(gè)功能是為了上層提供消息接口。我們用了類(lèi)似window程序的消息的概念。這里可以提供一些按鍵消息，例如：按下消息，松開(kāi)消息，長(cháng)按鍵消息，長(cháng)按鍵的時(shí)候的步進(jìn)消息，等等。

　　3)應用層。這里就是根據項目的不同分別寫(xiě)按鍵功能程序，屬于最上層的程序。它使用的是驅動(dòng)層提供的消息接口。在應用層寫(xiě)程序的思想就是，我不管下層是怎么工作的，我只關(guān)心按鍵消息。有按鍵消息來(lái)的時(shí)候我就執行功能，沒(méi)有消息來(lái)的時(shí)候，我就什么也不做。

　　下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的常用的例子，說(shuō)明我們這個(gè)設計思想的用法。秒表調整時(shí)間的時(shí)候，要求按著(zhù)某個(gè)按鍵不放，時(shí)間能連續的向上增加。這個(gè)東西很實(shí)用，實(shí)際的家電中用途很廣泛。在看下面的東西之前，大家可以想一下，這東西難嗎?相信大家都會(huì )很響亮的回答，“不難!!”，然而我再問(wèn)：“這東西麻煩嗎?”我相信很多人肯定會(huì )說(shuō)“很麻煩!!” 這不禁讓我想起開(kāi)始學(xué)單片機的時(shí)候寫(xiě)這種按鍵的那程序，亂七八糟的結構。如果不相信的話(huà)，可以自己用51寫(xiě)一下哦，那樣就更加能體會(huì )本文說(shuō)的分層結構的優(yōu)越性。

　　項目要求：兩個(gè)按鍵，分別分配在P10 和P20，分別是“加”“減”按鍵，要求長(cháng)按鍵的時(shí)候實(shí)現連續加和連續減的功能。

　　實(shí)戰：假設：按鍵上拉，沒(méi)有按鍵的時(shí)候高電平，有按鍵的時(shí)候低電平，另外，為了突出問(wèn)題，這里沒(méi)有將延時(shí)消抖的程序寫(xiě)上去，在實(shí)際項目中應該加上。C語(yǔ)言函數參數的傳遞多種多樣，這里作為例子，用了最簡(jiǎn)單的全局變量來(lái)傳遞參數，當然你也可以用 unsigned char ReadPort(void) 返回一個(gè)讀鍵結果，甚至還可以 void ReadPort(unsigned char *pt) 用一個(gè)指針變量傳遞地址而達到直接修改變量的目的。方法是多種多樣的，這個(gè)決定于每個(gè)人的程序風(fēng)格。

　　1)開(kāi)始寫(xiě)硬件層程序，完成映射

　　#define KYE_MIN 0X01

　　#define KEY_PLUS 0X01

　　unsigned char KeyDat;

　　void ReadPort(void)

　　{

　　if (P1 & KEY_PLUS == 0 ){

　　KeyDat |= 0x01 ;

　　}

　　if (P2 & KEY_MIN == 0 ){

　　KeyDat |= 0x02 ;

　　}

　　}

　　C語(yǔ)言應該很容易看懂吧?如果 KEY_PLUS 按下，P10口讀到低電平，則 P1 & KEY_PLUS 的結果為 0 ，滿(mǎn)足if 的條件，進(jìn)入KeyDat |= 0x01 是將 KeyDat 的bit0 置一，也就是說(shuō)，將 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0

　　KEY_MIN 是同樣的道理映射到 KeyDat 的 bit1

　　如果 KeyDat 的 bit0 為 1 ，則說(shuō)明 KEY_PLUS 按下，反則亦然。

　　不需要想的很神秘，映射就是這么一回事。如果還有其他按鍵的話(huà)，用同樣辦法，將他們全部映射到 KeyDat 上面。

　　2)驅動(dòng)層程序編寫(xiě) 【【硬件層給驅動(dòng)層提供最基本的一些屏蔽掉底層的一些硬件的相關(guān)數據，這樣可以把硬件層的數據結構(比如這里是KeyDat)提供給驅動(dòng)層，驅動(dòng)層負責調用硬件層，應用層負責調用驅動(dòng)層】】

　　如果將 KeyDat想象成 P1 口，那么這個(gè)跟學(xué)習板那標準的掃描程序不就是一樣了嗎?對的，這個(gè)就是底層映射的目的了。

　　3)應用層程序編寫(xiě)

　　根據消息，硬件層是必須分離出來(lái)，然而驅動(dòng)層和應用層的要求就不那么嚴格了，事實(shí)上一些簡(jiǎn)單的項目沒(méi)有必要將這兩層分離開(kāi)來(lái)，根據實(shí)際應用靈活應對就可以了。其實(shí)這樣寫(xiě)程序是很方便移植的，根據板子的不同而適當的修改一下硬件層那個(gè) ReadPort 函數就完成了，驅動(dòng)層和應用層很多代碼可以不經(jīng)過(guò)修改直接用，很能提高開(kāi)發(fā)效率的。當然這個(gè)按鍵程序會(huì )存在一定的問(wèn)題，特別是遇到常閉按鍵和點(diǎn)觸按鍵的混合使用的場(chǎng)合。這個(gè)留給大家自己去想了，反正問(wèn)題總是能找到解決辦法的，盡管方法有好有壞。

　　結束語(yǔ)

　　以按鍵為媒介，介紹了程序設計當中的“分層屏蔽”的思想的原理和應用，按鍵只是一個(gè)例子，其實(shí)分層的思想普遍存在著(zhù)程序設計當中。細心留意一下的話(huà)發(fā)現其實(shí)window，linux，網(wǎng)絡(luò )的tcp/ip 結構全部都是分層的。這東西不是繡花枕頭，而是實(shí)際用在工程上面的，只是平時(shí)不多見(jiàn)帖子介紹，或者沒(méi)有人特意這樣來(lái)總結，又或者是有經(jīng)驗的工程師作為藏在心中的法寶吧，這個(gè)就不得而知。不過(guò)好東西應該共享，菜鳥(niǎo)應該共勉，一起來(lái)學(xué)飛吧。