在单片机中引入面向对象的思想

strongerHuang 2021-11-01 1920

描述

在看别人单片机程序时，你也许是奔溃的，因为全局变量满天飞，不知道哪个在哪用了，哪个表示什么，而且编写极其不规范。自己写单片机程序时，也许你也是奔溃的。总感觉重新开启一个项目，之前的写过相似的代码也无法使用，得重新敲，代码重用度不高，编程效率低下，代码无法积累。而且感觉写这个代码没有思想，没有灵魂，没有框架，只是一个一个功能代码的堆砌，很空泛。

那么这个时候，你也许应该在单片机中引入面向对象的思想了，使代码更规范。

一、单片机程序框架

1、轮流执行

int main (void)
{
 while(1)
 {
  sing();
  dance();
  play();
 }
}

函数sing执行的时间比较长的话，函数dance就不能很快的被执行。任何一个函数死掉的话就会影响整个系统。

2、前后台

在使用 51、AVR、STM32 单片机裸机的时候一般都是在main函数里面用while(1)做一个大循环来完成所有的处理，即应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成所需的处理。有时候我们也需要中断中完成一些处理。相对于多任务系统而言，这个就是单任务系统，也称作前后台系统，中断服务函数作为前台程序，大循环while(1)作为后台程序。

对应的编程代码大概是这样的:

void EXTI_IRQHandler()
{
    flag = 1;
}
int main (void)
{
    while(1)
    {
        if (flag = 1)
        {
            do_something();
            flag = 0;
        }
    }
}

有什么问题？

前后台系统的实时性差，前后台系统各个任务(应用程序)都是排队等着轮流执行，不管你这个程序现在有多紧急，没轮到你就只能等着！相当于所有任务(应用程序)的优先级都是一样的。但是前后台系统简单啊，资源消耗也少啊！在稍微大一点的嵌入式应用中前后台系统就明显力不从心了。

3、多任务

void first_task()
{
    while (1)
    {
        if(has_data())
            put_data();
    }
}
void second_task()
{
    while (1)
    {
        if(get_data())
            do_something();
    }
}

int main(void)
{
    create_task(first_task);
    create_task(second_task);
    start_scheduler();
}

多任务系统会把一个大问题“分而治之”，把大任务划分成很多个小问题，逐步的把小任务解决掉，大任务也就随之解决了，这些任务是并发处理的。注意，并不是说同一时刻一起执行很多个任务，而是由于每个任务执行的时间很短，导致看起来像是同一时刻执行了很多个任务一样。

二、执行的程序怎么写？

以按键为例，点亮一个小灯！

1.常规写法

int mian(void)
{
    while (1)
    {
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET)
        {
            printf("按键按下
");
        }
    }
}

2.面向对象的写法

首先我们把每一个按键都看成一个对象，既然是对象就肯定有属性和行为，比如我们定义一个学生，那么这个学生有什么属性呢？

肯定有姓名、年龄、身高、体重对吧，这些是一些基本的属性，我们可以用一些单独的变量来定义它，比如：

typedef struct
{
 uint8_t  *name; //姓名(变量)
 uint8_t  age;   //年龄(变量)
  uint8_t  height;//身高(变量)
  uint8_t  weight;//体重(变量)
} student_t;

但是一个学生还有很多行为对吧，它会唱歌、跳舞、打篮球、也会关注果果小师弟的公众号对吧，于是我们就可以这样定义：

typedef struct
{
 uint8_t  *name;  //姓名(变量)
 uint8_t  age;    //年龄(变量)
  uint8_t  height; //身高(变量)
  uint8_t  weight; //体重(变量)
 void (*Sing_song)(void); //会唱歌(函数指针)
 void (*Dance_latin)(void); //会跳舞(函数指针)
  void (*Wechat_zhiguoxin)(void); //会关注果果的公众号(函数指针)
} student_t;

好了，这里我们提到了函数指针，所以就来说一说函数指针。

函数指针，顾名思义它就是一个指针，只不过它是一个函数指针，所以指向的是一个函数。类比一般的变量指针，指针变量，实质上是一个变量，只不过这个变量存放的是一个地址，在32位单片机中，任何类型的指针变量都存放的是一个大小为4字节的地址。

重要的话说三遍！牢记在心！！！为什要记住函数指针，因为在单片机面向对象编程中，结构体的成员不是变量就是函数指针这两种类型。变量就不用说了，函数指针理解就好。

其实函数指针可以类比一般的变量，看下面：

int   a; < = > void Sing_song(void);
int * p; < = > void (*zhiguoxin)(void);
p=&a;   < = > zhiguoxin = &Sing_song;

左边走义变量a，右边定义函数Sing_song;
左边定义int指针，右边定义函数指针;
左边赋值指针，右边赋值函数指针;

那么函数指针怎么用呢？我们还是以单片机为例，把按键类比为一个对象，这个按键有按键标志位，有长按或者短按，按键还有行为：按键初始化、按键循环检测等。

所以我们创建下面这样一个结构体，当然这个结构体不一定仅仅有这些变量和函数，这完全取决于你自己的定义，你想怎么定义就怎么定义，你甚至可以定义按键的颜色都。

typedef struct
{
 uint8_t  KEY_Flag;  //标志位(变量)
 uint8_t  Click;//按下(变量)
 void (*KEY_Init)(void); //按键初始化(函数指针)
 void (*KEY_Detect)(void); //按键检测(函数指针)
} KEY_t;

现在已经定义了KEY_t这种类型的结构体，处理器还没有分配给这个结构体内存，因为我们只是声明这样一个类型，而类型是不占用内存的，只有我们定义对应的结构体类型的变量时才会在占用内存空间。

那么怎么定义一个结构体类型的变量呢？

KEY_t   KEY1;

然后就要初始化结构体的成员变量了。

KEY_t  KEY1 = {0,0,KEY_init,KEY_detect};

这里要注意了现在结构体有四个成员，前两个普通的变量，我们初始化为0，还有两个函数指针，我们是不是要把我们想写得函数的函数名字放在这里啊。

那么聪明的你肯定知道还要定义KEY_init();和KEY_detect();这两个函数。这两个函数可以这样写。

static void KEY_init()
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
static void KEY_detect() 
{
 uint8_t i = 0; 
 if(KEY1.KEY_Flag == 1)
 {
  HAL_Delay(100);
  if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET)
  {
    printf("按键按下
");
  }
  KEY1.KEY_Flag = 0;
 }
}

好了具体函数中的代码我就不需要解释了。这样一个按键的对象我们就定义好了，这个按键我们赋予了"他"生命，有属性(变量)有行为(函数)。

这样我们在主函数就可以这样的调用，来实现相应的功能了。按键使用了中断，这里并没有讲解。

void main(void)
{
  KEY1.KEY_Init();//初始化按键
  while(1) 
   {  
  KEY1.KEY_Detect();//按键检测
 }
}

如果理解了这些，那么面向对象的精髓你基本已经掌握了，接下来就是不断地去练习和实践了。

三、为什么要面向对象？

我们知道，现有的编程范式主要是：面向过程编程、面向对象编程、函数式编程。

对于流程清晰的简单程序，一般只有一条流程主线，很容易被划分成顺序执行的几个步骤，面向对象编程和面向过程编程没有太大差别，并且面向过程编程常常比面向对象编程更加直观高效。

但当我们面对一个大型的复杂程序，由于其错综复杂的流程和交互关系，很难将其简单地拆分成一条主线串成的简单步骤，而通常表现为一个网状关系结构。这个时候，面向过程编程的这种流程化和线性化的思维方式就会显得比较吃力，而面向对象编程的优势就比较明显了。

面向对象编程风格的代码更容易复用、扩展和维护、更高级、更人性化、更适合大规模复杂程序的开发。在Linux中就是用的面向对象编程，里面有很多的结构体、指针、链表等等。如果还没有接触到面向对象编程只能说明你做的东西还不够复杂。

在单片机举一个例子，一块开发板可能会适配不同的屏幕:

那么每一块板子肯定有不同的代码适配，在程序中我们可以读出屏幕的ID，然后通过if判断来执行不同的指令，就行这样。

如果使用面向对象编程，那么就可以这样写代码。

typedef struct lcd{
 uint8_t type;
 void (*LCD_Init)(void)
}lcd_t, *plcd_t;

int Read_id()
{
 /* 0: LCDA
  * 1: LCDB
  */
 return 0; 
}

int Get_Lcd_Type(void)
{
 return Read_id();
}

void LCDA_Init(void)//屏幕A初始化
{
    LCD_WR_REG(0xCF);  
    LCD_WR_DATA(0x00); 
    LCD_WR_DATA(0xC1); 
    LCD_WR_DATA(0X30); 
}

void LCDB_Init(void)//屏幕B初始化
{
    LCD_WR_REG(0X11);
    delay_ms(20);
    LCD_WR_REG(0XD0);
    LCD_WR_DATA(0X07); 
}

lcd_t openedv_com_lcds[] = {
 {0, LCDA_Init},
 {1, LCDB_Init},
};

plcd_t get_lcd(void)//获取到屏幕类型
{
 int type = Get_Lcd_Type();
 return &openedv_com_lcds[type];
}

int main(void )
{
 plcd_t lcd; 
 lcd = get_lcd();//获取到屏幕类型
 lcd-> LCD_Init();//初始化对应屏幕
 while (1)
  {} 
}

这里只是伪代码处理办法，原理就和上面所讲的一样，在结构体中使用变量和函数。

到这里你应该掌握了面向对象得单片机编程方法，一起来试验几个例子：

LED灯

typedef struct
{ 
 void (*LED_ON)(uint8_t LED_Num);     //打开
 void (*LED_OFF)(uint8_t LED_Num);    //关闭
 void (*LED_Flip)(uint8_t LED_Num);   //翻转
} LED_t;

按键KEY

typedef struct
{
 uint8_t  KEY_Flag;        //标志位(变量)
 uint8_t  Click;           //按下(变量)
 void (*KEY_Init)(void);   //按键初始化(函数指针)
 void (*KEY_Detect)(void); //按键检测(函数指针)
} KEY_t;

蜂鸣器BEEP

typedef struct
{
 uint8_t Status;      //状态
 void (*ON)(void);     //打开
 void (*OFF)(void);    //关闭
} BEEP_t;

串口UART

typedef struct
{
 USART_TypeDef *uart;/* STM32内部串口设备指针 */
 uint8_t *pTxBuf;   /* 发送缓冲区 */
 uint8_t *pRxBuf;   /* 接收缓冲区 */
 
 uint16_t usTxBufSize;  /* 发送缓冲区大小 */
 uint16_t usRxBufSize;  /* 接收缓冲区大小 */
 
  uint16_t usTxWrite; /* 发送缓冲区写指针 */
  uint16_t usTxRead;  /* 发送缓冲区读指针 */
  uint16_t usTxCount; /* 等待发送的数据个数 */

  uint16_t usRxWrite; /* 接收缓冲区写指针 */
  uint16_t usRxRead;  /* 接收缓冲区读指针 */
  uint16_t usRxCount; /* 还未读取的新数据个数 */
  
  void (*RS485_Set_SendMode)(void);  //RS-485接口设置为发送模式
  void (*RS485_Set_RecMode)(void);   //RS-485接口设置为接收模式
}UART_T;

责任编辑：haq

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