单片机裸机编程：状态机与其他高效编程框架

在单片机裸机编程中，状态机是一种非常强大的工具，能够有效管理复杂的逻辑和任务切换。除了状态机，还有其他几种编程模式可以在不使用 RTOS 的情况下实现高效的程序设计。以下是一些常见的方法：

1. 状态机编程

状态机通过定义系统的不同状态和状态之间的转换规则，将复杂的逻辑分解为简单的状态和事件处理。它适用于事件驱动的系统，能够有效管理任务切换和逻辑复杂性。

实现思路：

• 定义状态枚举类型。

• 使用状态变量记录当前状态。

• 在主循环中根据当前状态执行对应的任务。

• 根据事件或条件触发状态转换。

示例代码：

typedef enum {
    STATE_IDLE,
    STATE_PROCESS_SENSOR,
    STATE_HANDLE_BUTTON,
    STATE_UPDATE_DISPLAY
} StateTypeDef;

StateTypeDef currentState = STATE_IDLE;

void process_sensor_data(void) {
    // 处理传感器数据
}

void handle_button_press(void) {
    // 处理按钮事件
}

void update_display(void) {
    // 更新显示
}

void main(void) {
    while (1) {
        switch (currentState) {
            case STATE_IDLE:
                if (sensor_data_ready) {
                    currentState = STATE_PROCESS_SENSOR;
                } else if (button_pressed) {
                    currentState = STATE_HANDLE_BUTTON;
                }
                break;

            case STATE_PROCESS_SENSOR:
                process_sensor_data();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;

            case STATE_HANDLE_BUTTON:
                handle_button_press();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;

            case STATE_UPDATE_DISPLAY:
                update_display();
                currentState = STATE_IDLE;
                break;
        }
    }
}

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2. 时间片轮询（Super Loop + 定时器）

时间片轮询是一种模拟多任务调度的方法，通过定时器中断实现时间片的管理。每个任务被分配一个固定的时间片，在主循环中依次执行各个任务的一部分。当时间片用完时，切换到下一个任务。

实现思路：

• 设置一个定时器中断，用于记录时间片的结束。

• 在主循环中，根据时间片的计数器决定当前任务是否继续执行。

示例代码：

#define TASK_COUNT 3
#define TIME_QUANTUM 10  // 时间片大小，单位为毫秒

typedef struct {
    void (*taskFunc)(void);  // 任务函数指针
    int remainingTime;       // 剩余时间片
} TaskTypeDef;

TaskTypeDef tasks[TASK_COUNT] = {
    {task1, TIME_QUANTUM},
    {task2, TIME_QUANTUM},
    {task3, TIME_QUANTUM}
};

void task1(void) {
    // 执行任务1
}

void task2(void) {
    // 执行任务2
}

void task3(void) {
    // 执行任务3
}

void main(void) {
    int currentTask = 0;

    while (1) {
        if (tasks[currentTask].remainingTime > 0) {
            tasks[currentTask].taskFunc();  // 执行当前任务
            tasks[currentTask].remainingTime--;
        }
        currentTask = (currentTask + 1) % TASK_COUNT;  // 轮询下一个任务
    }
}

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3. 中断驱动编程

中断驱动是一种利用单片机中断机制来处理事件的方法。通过配置中断源（如 GPIO、定时器、串口等），可以在事件发生时直接跳转到中断服务例程（ISR），从而实现快速响应。

实现思路：

• 配置中断源，设置中断优先级。

• 在中断服务例程中处理事件，避免在 ISR 中执行耗时操作。

示例代码：

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 处理按键中断事件
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
        handle_button_press();
    }
}

void handle_button_press(void) {
    // 按键处理逻辑
}

void main(void) {
    // 初始化中断
    NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

    while (1) {
        // 主循环可以执行其他任务
    }
}

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4. 非阻塞式编程

非阻塞式编程通过轮询或定时器检测事件状态，而不是在事件未发生时阻塞程序。这种方式可以提高程序的响应速度，避免因等待某个事件而导致程序卡顿。

实现思路：

• 使用定时器或计数器检测事件状态。

• 在主循环中不断检查事件是否发生，并根据状态执行相应操作。

示例代码：

#include "bsp_dwt.h"  // 假设使用硬件定时器库

#define TIMEOUT 100000  // 超时时间，单位为微秒

void handle_button_press(void) {
    // 按键处理逻辑
}

void handle_timeout(void) {
    // 超时处理逻辑
}

void main(void) {
    uint32_t start_time = DWT_GetTimeline_us();  // 获取当前时间

    while (1) {
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == SET) {
            // 按键按下，执行任务
            handle_button_press();
            start_time = DWT_GetTimeline_us();  // 重置计时器
        }
        if (DWT_GetTimeline_us() - start_time > TIMEOUT) {
            // 超时处理
            handle_timeout();
            start_time = DWT_GetTimeline_us();  // 重置计时器
        }
    }
}

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5. 超级循环（Super Loop）

超级循环是一种简单的多任务实现方式，通过在一个大循环中轮流执行不同的任务。每个任务函数执行一个任务的一部分，然后将控制权交给下一个任务。

实现思路：

• 在主循环中按顺序调用各个任务函数。

• 可以通过条件语句或计数器控制任务的执行频率。

示例代码：

void task1(void) {
    // 执行任务1
}

void task2(void) {
    // 执行任务2
}

void main(void) {
    while (1) {
        task1();
        task2();
    }
}

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总结

在单片机裸机编程中，状态机、时间片轮询、中断驱动、非阻塞式编程和超级循环都是常见的编程模式。它们各有优缺点，适用于不同的场景：

• 状态机：适用于复杂逻辑和事件驱动的系统，能够有效管理任务切换和逻辑复杂性。

• 时间片轮询：适合多任务并发但对实时性要求不高的场景。

• 中断驱动：适合对实时性要求较高的系统。

• 非阻塞式编程：适合需要快速响应多个事件的系统。

• 超级循环：适合简单的多任务场景。