嵌入式软件裸机开发--循环-查询架构

循环-查询架构的基本原理与结构

循环-查询架构的核心是围绕一个无终止的主循环展开，通常在嵌入式系统的main()函数中实现。此循环会按照预定义的顺序或优先级遍历一系列查询操作，这些操作用于检测硬件接口、内存位置、软件标志或外部输入源的状态变化。当检测到状态变化时，系统将触发相应的事件处理函数或回调，以完成数据读取、设备控制、状态更新等任务。

查询操作示例

例1：串口数据接收

while (1) {
    if (UART_IsDataAvailable(UART_PORT)) {
        uint8_t received_byte = UART_ReadByte(UART_PORT);
        process_received_byte(received_byte);
    }
}

在这个例子中，循环不断地查询串口（UART_PORT）是否接收到新数据（通过UART_IsDataAvailable()函数）。如果有新数据到达，立即读取并调用process_received_byte()函数进行处理。

例2：按键状态监测

while (1) {
    if (GPIO_PinRead(KEY_PIN) == KEY_PRESSED_STATE) {
        handle_key_press();
        GPIO_PinClear(KEY_PIN); // Debounce: clear the pin state
    }
}

此例中，循环监测指定按键引脚（KEY_PIN）的电平状态。若检测到按键按下（对应KEY_PRESSED_STATE），则调用handle_key_press()函数处理按键事件，并立即清除引脚状态以消除按键抖动影响。

事件响应

当查询操作检测到状态变化时，触发相应的事件响应。响应动作可以包括但不限于：

数据处理：如上述串口数据接收例子中的process_received_byte()函数，对新数据进行解析、存储或转发。
设备控制：如根据传感器读数调整电机转速、LED亮度等。
状态更新：如修改内部变量、更新显示界面等。
通信交互：如向远程服务器发送状态报告、响应网络请求等。

定时与延时

在某些情况下，循环-查询架构需配合定时器或延时函数来满足特定时序要求。例如，定期轮询某个设备以获取周期性数据，或者在未检测到事件时插入短延时以避免过度占用处理器资源。

uint32_t last_poll_time = 0;

while (1) {
    uint32_t current_time = get_current_time_ms();

    if (current_time - last_poll_time >= POLL_INTERVAL_MS) {
        poll_sensor_data();
        last_poll_time = current_time;
    }

    delay_idle(1); // Short idle delay to reduce CPU usage
}

上述代码展示了如何使用定时器（get_current_time_ms()）和延时函数（delay_idle()）来定期轮询传感器数据。当达到设定的轮询间隔（POLL_INTERVAL_MS）时，调用poll_sensor_data()函数获取并处理新数据。

优先级管理

虽然循环-查询架构本身不具备严格的优先级调度机制，但可通过调整查询操作的顺序或在循环体中嵌套条件判断，实现对不同事件响应的优先级管理。

while (1) {
    check_and_handle_high_priority_events(); // High-priority events checked first

    if (should_check_low_priority_event()) {
        handle_low_priority_event();
    }
}

在此例中，优先处理高优先级事件，然后根据条件判断是否处理低优先级事件，从而实现事件响应的优先级管理。

优点与适用场景

简单易用：循环-查询架构逻辑清晰，易于理解和实现，特别适合小型、低复杂度的嵌入式系统。
资源开销小：无需复杂的任务调度器或中断处理机制，对内存和处理器资源的需求较低。
适用于低实时性需求：对于事件发生频率不高或对响应时间要求不严苛的应用，如数据采集、简单控制任务等，循环-查询能有效满足需求。

缺点与局限性

效率问题：对于频繁发生的事件或高实时性要求的任务，循环-查询可能导致处理器大部分时间用于空查询，降低系统效率。
响应延迟：由于依赖于循环周期内的主动查询，事件响应存在一定的延迟，不适合对延迟敏感的应用。
难以扩展：随着系统复杂度增加，循环体可能变得庞大且难以维护。大量查询操作可能导致代码混乱，影响系统的可读性和可维护性。

小结

综上所述，循环-查询架构在嵌入式软件裸机开发中扮演着重要角色，尤其适用于简单、低实时性需求的场景。通过具体的查询操作示例，可以直观地理解其工作原理和应用方法。尽管存在效率、延迟和扩展性等方面的局限性，但在合理的设计和优化下，循环-查询架构仍能在特定应用中发挥重要作用。对于更复杂、实时性要求高的系统，可能需要结合中断驱动、任务调度等高级机制来提高系统性能和响应速度。