摘  要: 通过实例说明将事件驱动机制应用到单片机程序中,使中断响应与处理程序分离,可较理想地用硬件定时代替处理程序中的软件定时,从而大幅提高系统对多中断的实时响应能力,降低多中断系统调试的难度。 

    关键词: 事件驱动   单片机   程序设计   实时响应

1 传统单片机程序开发的不足 

    在传统的单片机程序中,通常是以“过程”和“操作”为中心的结构,程序按规定的过程顺序地执行,与外设的连接一般采用中断方式,在中断服务程序中完成外设的全部处理工作,主程序一般只是初始化系统并等待中断的发生。这种结构成熟、易于理解,但有如下不足: 

    (1)受单片机性能的限制,容易造成系统对其它中断的响应变得迟缓,特别是对于中断源较多、中断处理耗时较多的系统 (如:LED显示、键盘扫描等); 

    (2)中断服务程序过长,在中断服务期间系统无法响应同级的中断; 

    (3)可能导致代码重入,增大堆栈开销,造成难以预料的结果; 

    (4)程序调试时,花在各模块定时协调方面的时间、精力随系统的复杂程度大幅增加。 

    如果在编写单片机程序时,引入Windows程序中的事件驱动机制,把中断响应与事件处理程序分离,中断服务程序的任务只是产生一个中断发生的标志,而事件处理则由处理程序来完成,主程序则负责判断标志和调度处理程序。这样,可大幅缩短中断服务程序的长度,减少中断服务程序的耗时,提高系统对多中断的响应能力,从而较好地解决上述矛盾。 

2 Windows的事件驱动机制 

    在Windows系统中,程序的设计围绕事件驱动来进行。当对象有相关的事件发生时(如按下鼠标键),对象产生一条特定的标识事件发生的消息,消息被送入消息队列,或不进入队列而直接发送给处理对象,主程序负责组织消息队列,将消息发送给相应的处理程序,使相应的处理程序执行相应的动作,做完相应的处理后将控制权交还给主程序。 

    在这种机制中,对象的请求仅仅是向队列中添加相应的消息,耗时的处理则被分离给处理函数。这种结构的程序中各功能模块界限分明,便于扩充,能充分利用CPU的处理能力,使系统对外界的响应准确而及时。 

3 事件驱动的单片机程序设计 

    与Windows系统相比,单片机的资源非常有限,因此,单片机程序中的事件驱动机制只能采取一种简化的方式。当某个中断发生时,中断服务程序设置相应的标志,不同的标志代表不同的中断发生的消息,而主程序不断地判别这些标志,以决定启动哪一个处理函数。相应的处理函数被启动处理完相关的任务后,清除此标志,然后把控制权交还给主程序。采用这种机制,可合理地利用有限资源,使程序调试的工作量大幅下降。对于延时、定时处理(如LED显示、键盘扫描等),更可方便地使用一定时器来完成延时、定时的任务,从而把CPU从这种耗时的任务中解放出来,确保系统对多中断有足够的响应能力。 

    本文以一IC卡读写机为例,说明事件驱动机制在单片机程序设计中的具体应用。 

3.1 硬件结构 

    本系统以ATMEL公司的89C51为核心(如图1)。89C51价格低廉,性能较好,片内有4KB的可擦写程序存储器,可满足本系统的要求。为简化硬件结构及系统能耗,键盘采用软件扫描的矩阵键盘。LED显示采用段位动态扫描,在任一时刻LED中最多只有一段被点亮。具体是在位选信号送某位LED的公共极时,每隔一个时间片依次输出该位LED的段码(含小数点),输出完成一位后,再逐次输出下一位。从第一位至第N位LED依次分成8×N个时间片循环扫描显示。串口UART作为系统与外部数据通讯的通道,IC卡的读写由MCU模拟I²C协议来实现。 

3.2 事件驱动机制的单片机程序设计 

    中断申请标志 

    在系统中定义一个可位寻址的单元,在此把它命名为Message_Flag,用来记录描述中断事件发生的情况。各位的定义如下: 

    LED显示的实现 

    显示模块结构见图2。以定时器T0作为LED的动态扫描的定时基准,T0的定时时间最大值Tseg=20ms/(8×N)(其中N为LED位数),改变Tseg的值可改变显示的亮度。T0每隔Tseg时间向MCU申请中断,在T0的中断服务程序中置位相应的标志位(Message_Flag中的D0位)。主程序检测到此标志位被置位后,启动显示模块实现位段的显示输出。 

    键盘输入的实现 

    键盘模块结构见图3。在LED动态扫描期间,只有被点亮的LED相应的位选线维持大约3ms的低电平,而在系统工作的绝大部分时间内LED的位选线(即键盘的列线)维持高电平。当有键被按下时,将把键盘的行线中某一根拉成高电平,经或非门后,向MCU申请INT1中断,在INT1的中断服务程序中启动定时时间为20ms的定时器T1。T1的定时时间到后向MCU申请T1中断,在T1的中断服务程序中置位相应的中断申请标志(Message_Flag中的D1位)。主程序检测到此标志位被置位后,启动键盘扫描模块实现键盘输入。键盘输入完成(用户按“确认”键),置位键盘输入确认标志(Message_Flag中的D7位)。

    IC卡的读写 

    IC卡的SDA、SCL经卡座分别通过P1.0、P1.1与MCU相连。当IC卡插入卡座时,座上的微动开关使INT0变为低电平,向MCU申请INT0中断。在INT0中断服务程序中置位相应的中断申请标志(Message_Flag中的D2位),主程序检测到此标志位被置位后,启动IC卡的读模块,以软件模拟I2C协议来实现读卡操作。在数据处理完成后,同样通过软件模拟I²C协议来完成写卡的操作。 

    串口通讯 

    实际应用中可把UART转换成RS232C与PC相连或转换成RS485等其它协议组成单片机网。MCU与外部的通讯采用中断方式,在串口的中断服务程序中置位相应的中断申请标志(Message_Flag中的D4位)。主程序检测到此标志位被置位后,启动串口通讯模块,实现与外部的数据通讯。 

    主程序的设计 

    综上所述,主程序首先完成系统的初始化,然后循环检测各中断的中断申请标志,如有某标志被置位,则启动相应的处理模块完成相应的任务。程序结构如下(用C51编写): 

    unsigned bdata message_flag; 

    sbit t0_int=message_flag^0; 

    sbit t1_int=message_flag^1; 

    sbit int0_int=message_flag^2; 

    sbit uart_int=message_flag^4; 

    sbit kb_enter=message_flag^7; 

    unsigned char kb_buf[8]; 

    unsigned char led_buf[8]; 

    unsigned char ic_buf[8]; 

    unsigned char num_buf[8]; 

    void num_proc(void);        /*数据处理模块*/ 

    void ledbuf_write(unsigned ,unsigned int); /*数据处理*/ 

    void system_init(void);     /*系统初始化*/ 

    void uart_commune(void);    /*串口通讯模块*/ 

    void led_display(void);     /*LED显示*/ 

    void kb_scan(void);         /*键盘扫描*/ 

    void ic_reader(void);       /*读IC卡*/ 

    void ic_writer(void);       /*写IC卡*/ 

    void set_timer(unsigned int time_len,unsigned char type,unsigned char id);/*设置定时器*/ 

    void t0_int_sever(void);    /*定时器T0中断服务*/ 

    void t1_int_sever(void);   /*定时器T1中断服务*/ 

    void int0_int_sever(void);      /*INT0中断服务*/ 

    void int1_int_sever(void);      /*INT1中断服务*/ 

    void uart_int_sever(void);      /*串口中断服务*/ 

    void main(void) 

    { 

        system_init(); 

    while(1) { 

          if  (t0_int)      led_display(); 

          if  (int0_int)    ic_reader(); 

          if  (t1_int)      kb_scan(); 

          if  (uart_int)   uart_commune(); 

          if  (kb_enter){ 

                   num_proc(); 

                   ic_writer(); 

                   ledbuf_write(num_buf,8); 

               } 

          } 

    } 

    事件驱动的单片机程序设计是通过在中断服务程序中置位相应标志,把耗时的中断服务中的处理部分分离出来,中断返回后,再由主程序根据标志启动相应的处理模块。在任务处理完成后,清除相应的标志。由于中断服务程序短小,所以一般能实时地响应各种中断;而处理程序之间不会被相互调用,所以不会产生代码重入;各模块界限分明,给程序中各模块的统调带来很大的方便。 

    实践证明,运用事件驱动机制来组织单片机程序,即使对于要求定时准、耗时多的多中断、多模块系统,也可轻松地完成。 

参考文献 

1 何立民.MCS-51系列单片机应用系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1990 

2 马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,1997.3 

3 黄维通.Visual C++面向对象与可视化程序设计.北京:清华大学出版社,2000.5