單片機程序設計中的“分層思想”

分層的思想，并不是什么神秘的東西，事實上很多做項目的工程師本身自己也會在用。看了不少帖子都發(fā)現(xiàn)沒有提及這個東西，然而分層結構確是很有用的東西，參透后會有一種恍然大悟的感覺。如果說我不懂LCD怎么驅動，那好辦，看一下datasheet，參考一下別人的程序，很快就可以做出來。但是如果不懂程序設計的思想的話，會給你做項目的過程中帶來很多很多的困惑。

參考了市面上各種各樣的嵌入式書籍，MCS-51，AVR，ARM等都有看過，但是沒有發(fā)現(xiàn)有哪本是介紹設計思想的，就算有也是鳳毛麟角。寫程序不難，但是程序怎么樣才能寫的好，寫的快，那是需要點經(jīng)驗積累的。結構化模塊化的程序設計的思想，使最基本的要求。然而這么將這個抽象的概念運用到工程實踐當中恩?那需要在做項目的過程中經(jīng)歷磨難，將一些東西總結出來，抽象升華為理論，對經(jīng)驗的積累和技術的傳播都大有裨益。所以在下出來獻丑一下，總結一些東西。

就我個人的經(jīng)驗而談，有兩個設計思想是非常重要的。

一個就是“時間片輪的設計思想”，這個對實際中解決多任務問題非常有用，通常可以用這個東西來判斷一個人是單片機學習者，還是一個單片機工程師。這個必須掌握。由于網(wǎng)上介紹這個的帖子也不少，所以這里就不多說了。

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

問題的提出

單片機學習板一般為了簡單起見，將按鍵分配的很好，例如整個4*4的鍵盤矩陣分配到P1口上面，8條控制線，剛好。這樣的話程序也非常好寫。只需要簡單的

KEY_DAT = P1;

端口的數(shù)據(jù)就讀進來了。

誠然，現(xiàn)實中沒有這么好的事情。在實際的項目應用當中，單片機引腳的復用相當厲害，這跟那些所謂的單片機學習板就有很大的差別了。

另外一個原因，一般設計來說，是“軟件配合硬件”的設計流程，簡單點說就是，先確定好硬件原理圖，硬件布線，最后才是軟件的開發(fā)，因為硬件修改起來比較麻煩，相對來說軟件修改的時候比較好改。這個就是中國傳統(tǒng)的陰陽平衡哲學原理。硬件設計和軟件設計本來就是魚和熊掌的關系，兩者不可兼得。方便了硬件設計，很可能給寫軟件帶來很大的麻煩。反過來說，方便了軟件設計，硬件設計也會相當?shù)穆闊Ｈ绻布O計和軟件設計同時方便了，那只有兩種可能，一是這個設計方案非常簡單，二是設計師已經(jīng)達到了一個非常高的境界。我們不考慮那么多情況，單純從常用的實際應用的角度來看問題。

硬件為了布線的方便，很多時候會可能將IO口分配到不同的端口上面，例如上面說的4*4鍵盤，8根線分別分配到P0 P1 P2 P3上面去了。那么，開發(fā)板的那些掃描鍵盤程序可以去見鬼了。怎么掃按鍵?我想起了我剛開始學習的時候，分成3段非常相似的程序，一個一個按鍵的掃描的經(jīng)歷……

或許有人不甘心，“那些東西我花了很長時間學習的，也用的好好的，怎么能說一句不用就不用?”雖然有點殘忍，但是我還是想說“兄弟，接受現(xiàn)實吧，現(xiàn)實是殘酷的……”

不過，人區(qū)別于低等動物的差別，是人會創(chuàng)造，在碰到困難的時候會想辦法解決，于是我們開始了沉思……

最后我們引入初中數(shù)學學的“映射”的概念來解決問題。基本思想就是，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個層次了。

1)最底層的是硬件層，完成端口掃描，20ms延時消抖，將端口的數(shù)據(jù)映射到一個KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作為對上層驅動層的一個接口。

2)中間的一層是驅動層，驅動層只對KEY_DAT寄存器的數(shù)值進行操作。簡單點說，我們無論底層的硬件是怎么接線的，在驅動層都不需要關心，只需要關心KEY_DAT這個寄存器的數(shù)值是什么就可以了。這樣出來的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”，所以驅動層寫的程序就可以通用了。

驅動層的另外一個功能是為了上層提供消息接口。我們用了類似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，松開消息，長按鍵消息，長按鍵的時候的步進消息，等等。

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

下面用一個簡單的常用的例子，說明我們這個設計思想的用法。

秒表調整時間的時候，要求按著某個按鍵不放，時間能連續(xù)的向上增加。這個東西很實用，實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?相信大家都會很響亮的回答，“不難!!”，然而我再問：“這東西麻煩嗎?”我相信很多人肯定會說“很麻煩!!”這不禁讓我想起開始學單片機的時候寫這種按鍵的那程序，亂七八糟的結構。如果不相信的話，可以自己用51寫一下哦，那樣就更加能體會本文說的分層結構的優(yōu)越性。

項目要求：

兩個按鍵，分別分配在P10和P20，分別是“加”“減”按鍵，要求長按鍵的時候實現(xiàn)連續(xù)加和連續(xù)減的功能。

實戰(zhàn)：

假設：

按鍵上拉，沒有按鍵的時候高電平，有按鍵的時候低電平，另外，為了突出問題，這里沒有將延時消抖的程序寫上去，在實際項目中應該加上。C語言函數(shù)參數(shù)的傳遞多種多樣，這里作為例子，用了最簡單的全局變量來傳遞參數(shù)，當然你也可以用unsigned char ReadPort(void)返回一個讀鍵結果，甚至還可以void ReadPort(unsigned char *pt)用一個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，這個決定于每個人的程序風格。

1)開始寫硬件層程序，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，滿足if的條件，進入KeyDat |= 0x01是將KeyDat的bit0置一，也就是說，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，用同樣辦法，將他們?nèi)坑成涞終eyDat上面。

2)驅動層程序編寫

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

3)應用層程序編寫

根據(jù)消息

硬件層是必須分離出來，然而驅動層和應用層的要求就不那么嚴格了，事實上一些簡單的項目沒有必要將這兩層分離開來，根據(jù)實際應用靈活應對就可以了。其實這樣寫程序是很方便移植的，根據(jù)板子的不同而適當?shù)男薷囊幌掠布幽莻€ReadPort函數(shù)就完成了，驅動層和應用層很多代碼可以不經(jīng)過修改直接用，很能提高開發(fā)效率的。當然這個按鍵程序會存在一定的問題，特別是遇到常閉按鍵和點觸按鍵的混合使用的場合。這個留給大家自己去想了，反正問題總是能找到解決辦法的，盡管方法有好有壞。

結束語

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，按鍵只是一個例子，其實分層的思想普遍存在著程序設計當中。細心留意一下的話發(fā)現(xiàn)其實window，linux，網(wǎng)絡的tcp/ip結構全部都是分層的。這東西不是繡花枕頭，而是實際用在工程上面的，只是平時不多見帖子介紹，或者沒有人特意這樣來總結，又或者是有經(jīng)驗的工程師作為藏在心中的法寶吧，這個就不得而知。