AVR单片机教程——走向高层
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本文隶属于AVR单片机教程系列。
在系列教程的最后一篇中，我将向你推荐3个可以深造的方向：RTOS、C++、事件驱动。掌握这些技术可以帮助你更快、更好地开发更大的项目。
本文涉及到许多概念性的内容，如果你有不同意见，欢迎讨论。
### 关于高层
这一篇教程叫作“走向高层”。什么是高层？
我认为，如果寥寥几行代码就能实现一个复杂功能，或者一行代码可以对应到几百句汇编，那么你就站在高层。高层与底层是相对的概念，没有绝对的界限。
站得高，看得远，这同样适用于编程，我们要走向高层。高层是对底层的封装，是对现实的抽象，高层相比于底层更加贴近应用。站在高层，你可以看到很多底层看不到的东西，主要有编程工具和思路。合理利用工具，可以简化代码，降低工作量；用合适的思路编程，更可以事半功倍。
但是，掌握高层并不意味着忽视甚至鄙视底层，高层建立在底层基础之上。其一，有些高层出现的诡异现象可以追溯到底层，这样的debug任务只有通晓底层与高层的开发者才能胜任；其二，为了让高层实现复杂功能的同时获得可接受的运行效率，底层必须设计地更加精致，这就对底层提出了更高的要求。
相信你经过一期和二期的教程，已经相当熟悉AVR编程的底层了。跟我一起走上高层吧！
### RTOS
实时操作系统（RTOS）是一类操作系统。带有操作系统的计算机系统相比不带有的，最显著的特点是支持多任务。我们之前写的程序，在监控按键的同时，开了一个定时器中断用于数码管动态扫描，两个任务同时进行，是多任务吗？不完全是。监控按键与动态扫描两个任务只有一个可以占据`main`函数，另一个必须放在中断里，中断里的任务不能执行太长时间，否则就会干扰`main`函数的运行。而操作系统中的任务调度器可以给每个任务分配一定的运行时间，CPU一会执行这个，一会执行那个，每个任务都好像独占了CPU连续执行一样。
RTOS与其他操作系统的主要区别在于任务调度器的设计。在RTOS中，所有任务都有优先级，优先级高的被调度器保证优先执行，以获得最短的响应时间。在与现实世界打交道的嵌入式系统中，这样的功能往往是必要的。
操作系统通常需要中档的硬件，8位的AVR稍差了一点，主频和存储容量达不到一些操作系统的要求，不过还是有可选项的。我们来试着在开发板上运行FreeRTOS。FreeRTOS是一个免费的、为单片机设计的RTOS，是目前嵌入式市场占有率第二的操作系统，仅次于Linux。
首先去官网下载代码。下载的是一个`.zip`压缩包，找到`FreeRTOS`文件夹，目录下`Demo`和`Source`中的部分代码是需要使用的。作为一个跨平台的系统，大多数代码平台无关，只存一份，其他平台相关的代码，每个平台都有独立的实现，源码是demo都是如此，这使得代码组织有些复杂，你可以参考官方文档。
官方提供了ATmega323单片机的demo，为了在开发板上运行，需要做一些修改。demo基于WinAVR平台，它与Atmel Studio一样，都是基于avr-gcc的。如果你有WinAVR的话，直接用`makefile`就可以编译；Atmel Studio虽然也提供了`make`，但有些微区别，没法直接用`makefile`，因此我们自己建立项目来编译。
1. 新建项目，然后在Solution Explorer中建3个文件夹：`source`、`port`和`demo`。
2. 拷贝一些文件到这些目录下：
- `source`：`\Source\include\`所有文件、`\Source\`下的`tasks.c`、`queue.c`、`list.c`和`croutine.c`；
- `port`：`\Source\portable\GCC\ATmega323\`所有文件和\Source\portable\MemMang\`下的`heap_1.c`；
- `demo`：`\Demo\Common\include\`所有文件、`\Demo\Common\Minimal\`下的`crflash.c`、`integer.c`、`PollQ.c`和`comtest.c`、`\Demo\AVR_ATMega323_WinAVR\`除`makefile`以外的所有文件，再把`ParTest.c`和`serial.c`拎出来，`main.c`拎到外面。
我是怎么知道的呢？我参考了官方文档和`makefile`文件。
3. 在Solution Explorer中Add Existing Item，在项目属性->Toolchain->AVR/GNU C Compiler->Directories中添加这三个目录。
4. 修改代码，使之适用于我们的开发板：
修改的理由有以下几种：
- ATmega323和ATmega324的寄存器略有不同；
- WinAVR和Atmel Studio提供的工具链中的一些定义方式不同；
- 硬件配置与连接不同。
所以需要做以下修改：
- `port.c`中：`TIMSK`改为`TIMSK1`；`SIG_OUTPUT_COMPARE1A`改为`TIMER1_COMPA_vect`；54行改为`0x02`；
- `FreeRTOSConfig.h`中：48行改为`25000000`；
- `serial.c`中：`UDR`、`UCSRB`、`UCSRC`、`UBRRL`、`UBRRH`分别改为`UDR0`、`UCSR0B`、`UCSR0C`、`UBRR0L`、`UBRR0H`；67行改为`0x00`；188行改为`ISR(USART0_RX_vect)`；207行改为`ISR(USART0_UDRE_vect)`；
- `comtest.c`中：71行改为`4`；72行改为`2`；
- `ParTest.c`中：`DDRB`改为`DDRC`；`PORTB`改为`PORTC`；49行改为`0x00`；50行改为`3`；72和99行把`uxLED`改为`(4 + uxLED)`；76行把`if`和`else`的大括号中的语句对调；
- `main.c`中：删除81和84行；111行改为`0`；117行改为`3`；127行改为`2`；153行返回类型改为`int`。
不出意外的话，现在代码可以通过编译了（我这里有3个warning）。下载到单片机上，连接`TX`和`RX`，你会发现红灯和黄灯分别以300ms和400ms为周期闪烁，绿灯和串口黄灯一起闪烁，蓝灯不亮。
实际上，程序创建了1个整数计算、2个串口收发、2个队列收发、2个寄存器测试、1个错误检查和1个空闲共9个任务，以及2个LED闪烁协程。每过一毫秒，定时器产生一次中断，任务调度器暂停当前任务，换一个任务开始运行。为了理解这个过程，我们先介绍上下文这个概念。
一个任务在执行的过程中，需要一些临时变量，它们有的保存在栈上（栈是内存中的一块区域，寄存器`SP`指向栈顶），有的在寄存器中；此外，条件分支语句还要用到寄存器`SREG`中的位，这些位在之前的语句中被置位或清零；还有记录当前程序执行到哪的程序计数器。这些一起构成了任务执行的上下文：寄存器`r0`到`r31`、`SREG`、`SP`和`PC`。不同任务的上下文是不共享的，但它们却要占用相同的位置，为此，在切换任务时需要把前一个上下文保存起来，并恢复要切换到的任务的上下文，这个过程称为上下文切换，然后才能继续这个任务。
我们来结合代码分析一下这个过程。
```
void TIMER1_COMPA_vect( void ) __attribute__ ( ( signal, naked ) );
void TIMER1_COMPA_vect( void )
{
vPortYieldFromTick();
asm volatile ( "reti" );
}
void vPortYieldFromTick( void ) __attribute__ ( ( naked ) );
void vPortYieldFromTick( void )
{
portSAVE_CONTEXT();
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
vTaskSwitchContext();
}
portRESTORE_CONTEXT();
asm volatile ( "ret" );
}
typedef void TCB_t;
extern volatile TCB_t * volatile pxCurrentTCB;
#define portSAVE_CONTEXT() \
asm volatile ( "push r0 \n\t" \
"in r0, __SREG__ \n\t" \
"cli \n\t" \
"push r0 \n\t" \
"push r1 \n\t" \
"clr r1 \n\t" \
"push r2 \n\t" \
"push r3 \n\t" \
"push r4 \n\t" \
"push r5 \n\t" \
"push r6 \n\t" \
"push r7 \n\t" \
"push r8 \n\t" \
"push r9 \n\t" \
"push r10 \n\t" \
"push r11 \n\t" \
"push r12 \n\t" \
"push r13 \n\t" \
"push r14 \n\t" \
"push r15 \n\t" \
"push r16 \n\t" \
"push r17 \n\t" \
"push r18 \n\t" \
"push r19 \n\t" \
"push r20 \n\t" \
"push r21 \n\t" \
"push r22 \n\t" \
"push r23 \n\t" \
"push r24 \n\t" \
"push r25 \n\t" \
"push r26 \n\t" \
"push r27 \n\t" \
"push r28 \n\t" \
"push r29 \n\t" \
"push r30 \n\t" \
"push r31 \n\t" \
"lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"in r0, 0x3d \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
"in r0, 0x3e \n\t" \
"st x+, r0 \n\t" \
);
#define portRESTORE_CONTEXT() \
asm volatile ( "lds r26, pxCurrentTCB \n\t" \
"lds r27, pxCurrentTCB + 1 \n\t" \
"ld r28, x+ \n\t" \
"out __SP_L__, r28 \n\t" \
"ld r29, x+ \n\t" \
"out __SP_H__, r29 \n\t" \
"pop r31 \n\t" \
"pop r30 \n\t" \
"pop r29 \n\t" \
"pop r28 \n\t" \
"pop r27 \n\t" \
"pop r26 \n\t" \
"pop r25 \n\t" \
"pop r24 \n\t" \
"pop r23 \n\t" \
"pop r22 \n\t" \
"pop r21 \n\t" \
"pop r20 \n\t" \
"pop r19 \n\t" \
"pop r18 \n\t" \
"pop r17 \n\t" \
"pop r16 \n\t" \
"pop r15 \n\t" \
"pop r14 \n\t" \
"pop r13 \n\t" \
"pop r12 \n\t" \
"pop r11 \n\t" \
"pop r10 \n\t" \
"pop r9 \n\t" \
"pop r8 \n\t" \
"pop r7 \n\t" \
"pop r6 \n\t" \
"pop r5 \n\t" \
"pop r4 \n\t" \
"pop r3 \n\t" \
"pop r2 \n\t" \
"pop r1 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
"out __SREG__, r0 \n\t" \
"pop r0 \n\t" \
);
```
在定时器中断`TIMER1_COMPA_vect`中，`vPortYieldFromTick`被调用，其中依次调用`portSAVE_CONTEXT`、`xTaskIncrementTick`、`vTaskSwitchContext`（可能不调用）和`portRESTORE_CONTEXT`，执行汇编语句`ret`；最后执行`reti`。
在介绍中断的时候，我们提到过编译器添加的额外代码，把用到的寄存器都push进栈。但是，编译器只会保护该中断用到的寄存器，而上下文包括所有寄存器，需要手动地编写代码，那么也就无需编译器添加多余的代码了。函数`TIMER1_COMPA_vect`被添加attribute`naked`，表示无需添加任何代码，把用户编写的原原本本地编进去就够了。
进入中断时，`PC`被push进栈（这是硬件做的），`PC`内容变为`TIMER1_COMPA_vect`的地址，随后开始执行，`PC`再次push进栈（没有在图片中表示出来），开始执行`portSAVE_CONTEXT`保存上下文。由于它是宏，就没有`PC`进栈的过程。
然后，`r0`、`SREG`、`r1`到`r31`依次进栈，上下文的内容保存完成，其位置还需要另存。`SP`指向栈顶，代表着上下文的位置，它被复制到`pxCurrentTCB`所指的位置中。`pxCurrentTCB`实际上是结构体`TCB_t`指针，该结构体保存着当前执行的任务的信息，前两个字节保存栈指针。这样，上下文就保存完成了。
`xTaskIncrementTick`把软件计数器加1，并检查是否需要任务切换。为了讲解，我们假定它需要，那么`vTaskSwitchContext`就会被调用，`pxCurrentTCB`指向另一个`TCB_t`变量，那里保存着另一个任务的上下文，我们要恢复它。
恢复过程是，先用`pxCurrentTCB`取出`SP`，再按相反的顺序出栈，上下文中就只剩`PC`没有恢复了（`ret`和`vPortYieldFromTick`的调用抵消，一起忽略）。最后执行`reti`，该汇编语句从栈顶取两个字节放进`PC`，并跳转到其位置继续执行。此时，`PC`的内容就是该任务之前被中断时执行到的位置，现在从`PC`开始继续执行，也就是继续执行该任务。上下文切换完成。
在对FreeRTOS稍有了解后，我们动手写一个基于FreeRTOS的程序。在学习数码管的时候，你很可能考虑过，在后台创建一个任务，执行数码管的扫描。现在，FreeRTOS给了你这个机会。我们创建两个任务，一个每一毫秒显示数码管的一位，另一个每200毫秒更新显示的数字。
```
#include
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