从单片机初学者迈向单片机工程师(1)----学会释放CPU

只看该作者 · 2010-11-30 19:55

现在回想起好几年前在学校自学单片机时候，还是忍不住唏嘘不矣。从最初的一无所知，到目前的状态，这个经历过程，我想只有那些经历过的那些筒子们才感受最为深刻吧。很多时候，也会有很多初学者的人来问我各种问题，我都耐心的回答他们，尽可能的让他们少走弯路。因为我明白他们的感受，自己也是向他们那样一步一步走过来的。虽然自己当初遇到问题很少向别人提问，都是尽可能自己再网络上寻找答案，再实践验证，但我仍然感谢网络上那么多不知名的好心人的奉献。
OK，不扯了，再扯成水贴了。
这些东西都是很久以前写的，再次从硬盘里翻了出来，希望对想更进一步学习的童鞋有些帮助。

从这一章开始，我们开始迈入单片机的世界。在我们开始这一章具体的学习之前，有必要给大家先说明一下。在以后的系列**中，我们将以51内核的单片机为载体，C语言为编程语言，开发环境为KEIL uv3。至于为什么选用C语言开发，好处不言而喻，开发速度快，效率高，代码可复用率高，结构清晰，尤其是在大型的程序中，而且随着编译器的不断升级，其编译后的代码大小与汇编语言的差距越来越小。而关于C语言和汇编之争，就像那个啥，每隔一段时间总会有人挑起这个话题，如果你感兴趣，可以到网上搜索相关的帖子自行阅读。不是说汇编不重要，在很多对时序要求非常高的场合，需要利用汇编语言和C语言混合编程才能够满足系统的需求。在我们学习掌握C语言的同时，也还需要利用闲余的时间去学习了解汇编语言。

1.从点亮LED(发光二极管)开始
在市面上众多的单片机学习资料中，最基础的实验无疑于点亮LED了，即控制单片机的I/O的电平的变化。
如同如下实例代码一般

void main(void)
{

LedInit() ;

While(1)

{

LED = ON ;

DelayMs(500) ;

LED = OFF ;

DelayMs(500) ;
}
}

程序很简单，从它的结构可以看出，LED先点亮500MS，然后熄灭500MS，如此循环下去，形成的效果就是LED以1HZ的频率进行闪烁。下面让我们分析上面的程序有没有什么问题。
看来看出，好像很正常的啊，能有什么问题呢？这个时候我们应该换一个思路去想了。试想，整个程序除了控制LED = ON ； LED = OFF；这两条语句外，其余的时间，全消耗在了DelayMs(500)这两个函数上。而在实际应用系统中是没有哪个系统只闪烁一只LED就其它什么事情都不做了的。因此，在这里我们要想办法，把CPU解放出来，让它不要白白浪费500MS的延时等待时间。宁可让它一遍又一遍的扫描看有哪些任务需要执行，也不要让它停留在某个地方空转消耗CPU时间。

从上面我们可以总结出
(1)
无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)
无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。

下面让我们从另外一个角度来考虑如何点亮一颗LED。
先看看我们的硬件结构是什么样子的。

以我手头拥有的板子为例。就以它的实际硬件连接图来分析吧。如下图所示

一般的LED的正常发光电流为10~20MA而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。在上图中我们可知，当Q1~Q8引脚上面的电平为低电平时，LED发光。通过LED的电流约为（VCC - Vd）/ RA2 。其中Vd为LED导通后的压降，约为1.7V左右。这个导通压降根据LED颜色的不同，以及工作电流的大小的不同，会有一定的差别。下面一些参数是网上有人测出来的，供大家参考。
红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA，

绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA，

橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA

兰色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA，

白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA，

(供电电压5V，LED直径为5mm)

74HC573真值表如下：

通过这个真值表我们可以看出。当OutputEnable引脚接低电平的时候，并且LatchEnable引脚为高电平的时候，Q端电平与D端电平相同。结合我们的LED硬件连接图可以知道LED_CS端为高电平时候，P0口电平的变化即Q端的电平的变化，进而引起LED的亮灭变化。由于单片机的驱动能力有限，在此，74HC573的主要作用就是起一个输出驱动的作用。需要注意的是，通过74HC573的最大电流是有限制的，否则可能会烧坏74HC573这个芯片。

上面这个图是从74HC573的DATASHEET中截取出来的，从上可以看出，每个引脚允许通过的最大电流为35mA 整个芯片允许通过的最大电流为75mA。在我们设计相应的驱动电路时候，这些参数是相当重要的，而且是最容易被初学者所忽略的地方。同时在设计的时候，要留出一定量的余量出来，不能说单个引脚允许通过的电流为35mA，你就设计为35mA，这个时候你应该把设计的上限值定在20mA左右才能保证能够稳定的工作。
（设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力）

了解了相应的硬件后，我们再来编写驱动程序。
首先定义LED的接口
#define LED
P0
然后为亮灭常数定义一个宏，由硬件连接图可以，当P0输出为低电平时候LED亮，P0输出为高电平时，LED熄灭。
#define LED_ON()
LED = 0x00 ;
//所有LED亮
#define LED_OFF()
LED = 0xff ;
//所有LED熄灭

只看该作者 · 2010-11-30 19:55

本帖最后由红金龙吸味于 2010-11-30 19:58 编辑

下面到了重点了，究竟该如何释放CPU，避免其做延时空等待这样的事情呢。很简单，我们为系统产生一个1MS的时标。假定LED需要亮500MS，熄灭500MS，那么我们可以对这个1MS的时标进行计数，当这个计数值达到500时候，清零该计数值，同时把LED的状态改变。
unsigned int g_u16LedTimeCount = 0 ;
//LED计数器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;
//LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭

void LedProcess(void)
{
if(0 == g_u8LedState)
//如果LED的状态为亮，则点亮LED
{

      LED_ON() ;
}
else
//否则熄灭LED
   {

      LED_OFF() ;
   }
}

void LedStateChange(void)
{

if(g_bSystemTime1Ms)
//系统1MS时标到
{

      g_bSystemTime1Ms = 0 ;

      g_u16LedTimeCount++ ;
      //LED计数器加一

   if(g_u16LedTimeCount >= 500)
   //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。

   {

         g_u16LedTimeCount = 0 ;

         g_u8LedState= ! g_u8LedState ;
   }
}
}

上面有一个变量没有提到，就是g_bSystemTime1Ms 。这个变量可以定义为位变量或者是其它变量，在我们的定时器中断函数中对其置位，其它函数使用该变量后，应该对其复位(清0) 。
我们的主函数就可以写成如下形式(示意代码)
void main(void)
{

while(1)
{

      LedProcess() ;

      LedStateChange() ;
   }
}

因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变，而状态变量的改变，又依赖于LED计数器的计数值g_u16LedTimeCount ，只有计数值达到一定后，状态变量才改变)所以，两个函数都没有堵塞CPU的地方。让我们来从头到尾分析一遍整个程序的流程。

程序首先执行LedProcess() ;函数
因为g_u8LedState 的初始值为0 (见定义，对于全局变量，在定义的时候最好给其一个确定的值)所以LED被点亮，然后退出LedStateChange()函数，执行下一个函数LedStateChange()
在函数LedStateChange()内部首先判断1MS的系统时标是否到了，如果没有到就直接退出函数，如果到了，就把时标清0以便下一个时标消息的到来，同时对LED计数器加一，然后再判断LED计数器是否到达我们预先想要的值500，如果没有，则退出函数，如果有，对计数器清0，以便下次重新计数，同时把LED状态变量取反，然后退出函数。
由上面整个流程可以知道，CPU所做的事情，就是对一些计数器加一，然后根据条件改变状态，再根据这个状态来决定是否点亮LED。这些函数执行所花的时间都是相当短的，如果主程序中还有其它函数，则CPU会顺次往下执行下去。对于其它的函数(如果有的话)也要采取同样的措施，保证其不堵塞CPU，如果全部基于这种方法设计，那么对于不是非常庞大的系统，我们的系统依旧可以保证多个任务(多个函数)同时执行。系统的实时性得到了一定的保证，从宏观上看来，就是多个任务并发执行。

好了，这一章就到此为止，让我们总结一下，究竟有哪些需要注意的吧。

(1)
无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)
无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。
(3)
设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力
(4)
最重要的是，如何去释放CPU(参考本章的例子)，这是写出合格程序的基础。