单片机程序设计中运用事件驱动机制

    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序大幅增加。

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Windosw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，不同的标导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，再逐闪输出下一位。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信的通道，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：

*Message_Flag中某位为1表示当前有相应的事件发生，为0则当有没有相应的事件发生。

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的中断服务器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，以软件模块I2C协议来实现读卡操作。在数据处理完成后，同样通过软件模块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）：

vnsigned 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 uum_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位标志，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。