浅谈单片机程序设计中的“分层思想”

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分层的思想，并不是什么神秘的东西，事实上很多做项目的工程师本身自己也会在用。看了不少帖子都发现没有提及这个东西，然而分层结构确是很有用的东西，参透后会有一种恍然大悟的感觉。如果说我不懂LCD怎么驱动，那好办，看一下datasheet，参考一下别人的程序，很快就可以做出来。但是如果不懂程序设计的思想的话，会给你做项目的过程中带来很多很多的困惑。
       
        参考了市面上各种各样的嵌入式书籍，MCS-51，AVR，ARM等都有看过，但是没有发现有哪本是介绍设计思想的，就算有也是凤毛麟角。写程序不难，但是程序怎么样才能写的好，写的快，那是需要点经验积累的。结构化模块化的程序设计的思想，使最基本的要求。然而这么将这个抽象的概念运用到工程实践当中恩？那需要在做项目的过程中经历磨难，将一些东西总结出来，抽象升华为理论，对经验的积累和技术的传播都大有裨益。所以在下出来献丑一下，总结一些东西。
       
        就我个人的经验而谈，有两个设计思想是非常重要的。
       
        一个就是“时间片轮的设计思想”，这个对实际中解决多任务问题非常有用，通常可以用这个东西来判断一个人是单片机学习者，还是一个单片机工程师。这个必须掌握。由于网上介绍这个的帖子也不少，所以这里就不多说了。
       
        第二个就是我今天想说的主题“分层屏蔽的设计思想”。下面用扫描键盘程序例子作为引子，引出今天说的东西。
       
        问题的提出
       
        单片机学习板一般为了简单起见，将按键分配的很好，例如整个4*4的键盘矩阵分配到P1口上面，8条控制线，刚好。这样的话程序也非常好写。只需要简单的
       
        KEY_DAT = P1；
       
        端口的数据就读进来了。
       
        诚然，现实中没有这么好的事情。在实际的项目应用当中，单片机引脚的复用相当厉害，这跟那些所谓的单片机学习板就有很大的差别了。
       
        另外一个原因，一般设计来说，是“软件配合硬件”的设计流程，简单点说就是，先确定好硬件原理图，硬件布线，最后才是软件的开发，因为硬件修改起来比较麻烦，相对来说软件修改的时候比较好改。这个就是中国传统的阴阳平衡哲学原理。硬件设计和软件设计本来就是鱼和熊掌的关系，两者不可兼得。方便了硬件设计，很可能给写软件带来很大的麻烦。反过来说，方便了软件设计，硬件设计也会相当的麻烦。如果硬件设计和软件设计同时方便了，那只有两种可能，一是这个设计方案非常简单，二是设计师已经达到了一个非常高的境界。我们不考虑那么多情况，单纯从常用的实际应用的角度来看问题。
       
        硬件为了布线的方便，很多时候会可能将IO口分配到不同的端口上面，例如上面说的4*4键盘，8根线分别分配到P0 P1 P2 P3上面去了。那么，开发板的那些扫描键盘程序可以去见鬼了。怎么扫按键？我想起了我刚开始学习的时候，分成3段非常相似的程序，一个一个按键的扫描的经历……
       
        或许有人不甘心，“那些东西我花了很长时间学习的，也用的好好的，怎么能说一句不用就不用？”虽然有点残忍，但是我还是想说“兄弟，接受现实吧，现实是残酷的……”
       
        不过，人区别于低等动物的差别，是人会创造，在碰到困难的时候会想办法解决，于是我们开始了沉思……
       
        最后我们引入初中数学学的“映射”的概念来解决问题。基本思想就是，将不同端口的按键映射到相同端口上面。
       
        这样按键扫描程序就分成3个层次了。
       
        1）最底层的是硬件层，完成端口扫描，20ms延时消抖，将端口的数据映射到一个KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作为对上层驱动层的一个接口。
       
        2）中间的一层是驱动层，驱动层只对KEY_DAT寄存器的数值进行操作。简单点说，我们无论底层的硬件是怎么接线的，在驱动层都不需要关心，只需要关心KEY_DAT这个寄存器的数值是什么就可以了。这样出来的间接效果就是“屏蔽了底层硬件的差异”，所以驱动层写的程序就可以通用了。
       
        驱动层的另外一个功能是为了上层提供消息接口。我们用了类似window程序的消息的概念。这里可以提供一些按键消息，例如：按下消息，松开消息，长按键消息，长按键的时候的步进消息，等等。
       
        3）应用层。这里就是根据项目的不同分别写按键功能程序，属于最上层的程序。它使用的是驱动层提供的消息接口。在应用层写程序的思想就是，我不管下层是怎么工作的，我只关心按键消息。有按键消息来的时候我就执行功能，没有消息来的时候，我就什么也不做。
       
        下面用一个简单的常用的例子，说明我们这个设计思想的用法。
       
        秒表调整时间的时候，要求按着某个按键不放，时间能连续的向上增加。这个东西很实用，实际的家电中用途很广泛。
       
        在看下面的东西之前，大家可以想一下，这东西难吗？相信大家都会很响亮的回答，“不难！！”，然而我再问：“这东西麻烦吗？”我相信很多人肯定会说“很麻烦！！”这不禁让我想起开始学单片机的时候写这种按键的那程序，乱七八糟的结构。如果不相信的话，可以自己用51写一下哦，那样就更加能体会本文说的分层结构的优越性。
       
        项目要求：
       
        两个按键，分别分配在P10和P20，分别是“加”“减”按键，要求长按键的时候实现连续加和连续减的功能。
       
        实战：
       
        假设：
       
        按键上拉，没有按键的时候高电平，有按键的时候低电平，另外，为了突出问题，这里没有将延时消抖的程序写上去，在实际项目中应该加上。C语言函数参数的传递多种多样，这里作为例子，用了最简单的全局变量来传递参数，当然你也可以用unsigned char ReadPort（void）返回一个读键结果，甚至还可以void ReadPort（unsigned char *pt）用一个指针变量传递地址而达到直接修改变量的目的。方法是多种多样的，这个决定于每个人的程序风格。
       
        1）开始写硬件层程序，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语言应该很容易看懂吧？如果KEY_PLUS按下，P10口读到低电平，则P1 KEY_PLUS的结果为0，满足if的条件，进入KeyDat |= 0x01是将KeyDat的bit0置一，也就是说，将KEY_PLUS映射到KeyDat的bit0
       
        KEY_MIN是同样的道理映射到KeyDat的bit1
       
        如果KeyDat的bit0为1，则说明KEY_PLUS按下，反则亦然。
       
        不需要想的很神秘，映射就是这么一回事。如果还有其他按键的话，用同样办法，将他们全部映射到KeyDat上面。
       
        2）驱动层程序编写
       
        如果将KeyDat想象成P1口，那么这个跟学习板那标准的扫描程序不就是一样了吗？对的，这个就是底层映射的目的了。
       
        3）应用层程序编写
       
        根据消息
       
        硬件层是必须分离出来，然而驱动层和应用层的要求就不那么严格了，事实上一些简单的项目没有必要将这两层分离开来，根据实际应用灵活应对就可以了。其实这样写程序是很方便移植的，根据板子的不同而适当的修改一下硬件层那个ReadPort函数就完成了，驱动层和应用层很多代码可以不经过修改直接用，很能提高开发效率的。当然这个按键程序会存在一定的问题，特别是遇到常闭按键和点触按键的混合使用的场合。这个留给大家自己去想了，反正问题总是能找到解决办法的，尽管方法有好有坏。
       
        结束语
       
        以按键为媒介，介绍了程序设计当中的“分层屏蔽”的思想的原理和应用，按键只是一个例子，其实分层的思想普遍存在着程序设计当中。细心留意一下的话发现其实window，linux，网络的tcp/ip结构全部都是分层的。这东西不是绣花枕头，而是实际用在工程上面的，只是平时不多见帖子介绍，或者没有人特意这样来总结，又或者是有经验的工程师作为藏在心中的法宝吧，这个就不得而知。不过好东西应该共享，菜鸟应该共勉，一起来学飞吧。