嵌入式 C语言上下文的快速切换

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。

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