嵌入式系統中斷與排程機制探討

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嵌入式系統開發中，中斷、Watchdog 和主迴圈設計是確保系統穩定性和即時性的關鍵。狀態機器是管理複雜系統行為的有效方法，可以根據表格或程式碼實作。Watchdog 作為系統的守護者，能有效防止系統當機，其設計需遵循簡單性、獨立性和可靠性原則。主迴圈設計則需注重簡單、模組化和可靠性，並可採用輪詢或等待機制。然而，傳統的主迴圈設計在面對複雜的事件處理時，容易出現阻塞和回應不及時的問題。

狀態機器的種類別

狀態機器有多種實作方式，包括：

  • 根據表格的狀態機器：這種狀態機器使用表格來定義狀態和事件之間的轉換關係。
  • 根據程式碼的狀態機器：這種狀態機器使用程式碼來實作狀態和事件之間的轉換關係。

狀態機器的優點

狀態機器有多個優點，包括：

  • 可以管理複雜的行為和控制流程。
  • 可以減少程式碼的複雜性和冗餘性。
  • 可以提高系統的可靠性和穩定性。

狀態機器的應用

狀態機器可以應用於多個領域，包括：

  • 嵌入式系統：狀態機器可以用於管理嵌入式系統的行為和控制流程。
  • 網路系統：狀態機器可以用於管理網路系統的連線和通訊。
  • 人工智慧：狀態機器可以用於管理人工智慧系統的行為和決策過程。

watchdog 的作用

watchdog 是一種特殊的狀態機器，可以用於監控系統的執行狀態和檢測系統是否出現錯誤。如果系統出現錯誤，watchdog 可以自動重啟系統，以確保系統的可靠性和穩定性。

內容解密：

以上內容介紹了狀態機器的實作和應用，並探討了 watchdog 的作用。透過使用狀態機器和 watchdog，可以提高系統的可靠性和穩定性。

  graph LR
    A[狀態機器] -->|實作|> B[根據表格]
    A -->|實作|> C[根據程式碼]
    B -->|優點|> D[管理複雜行為]
    C -->|優點|> E[減少程式碼複雜性]
    D -->|應用|> F[嵌入式系統]
    E -->|應用|> G[網路系統]
    F -->|watchdog|> H[監控系統執行狀態]
    G -->|watchdog|> I[檢測系統錯誤]

圖表翻譯：

以上圖表展示了狀態機器的實作和應用，並介紹了 watchdog 的作用。圖表中，A 代表狀態機器，B 和 C 代表根據表格和根據程式碼的實作方式。D 和 E 代表狀態機器的優點，F 和 G 代表狀態機器的應用領域。H 和 I 代表 watchdog 的作用。

watchdog 的作用和設計原則

watchdog 是一種用於監控系統是否正常運作的機制，當系統出現問題或當機時，watchdog 會觸發重置或其他還原措施。設計良好的 watchdog 可以確保系統的可靠性和穩定性。

watchdog 的設計原則

  1. 簡單性：watchdog 應該盡可能簡單，以避免自身出現問題。
  2. 獨立性：watchdog 應該與系統的其他部分獨立，以避免受到系統問題的影響。
  3. 可靠性：watchdog 應該能夠可靠地監控系統的狀態，並在必要時觸發重置或其他還原措施。

watchdog 的實作方式

  1. 定時器中斷：watchdog 可以透過定時器中斷來實作，當系統未能在指定時間內回應時，watchdog 會觸發重置。
  2. 主迴圈：watchdog 可以放在主迴圈中，當主迴圈未能正常執行時，watchdog 會觸發重置。

watchdog 的服務

watchdog 的服務是指向 watchdog 傳送訊號，以表明系統正在正常運作。服務 watchdog 的方式有多種，包括：

  1. 踢狗（kick the dog）：這是一種傳統的 watchdog 服務方式，透過向 watchdog 傳送訊號，以避免 watchdog 觸發重置。
  2. 撫摸狗（pet the dog）：這是一種較新的 watchdog 服務方式，透過向 watchdog 傳送訊號，以保持系統的正常運作。

watchdog 的優點

  1. 提高系統可靠性：watchdog 可以確保系統的可靠性和穩定性。
  2. 減少系統當機：watchdog 可以減少系統當機的可能性。
  3. 提高系統安全性：watchdog 可以提高系統的安全性，透過監控系統的狀態並在必要時觸發重置或其他還原措施。

watchdog 的缺點

  1. 增加系統複雜性：watchdog 可能會增加系統的複雜性。
  2. 需要額外的資源：watchdog 需要額外的資源，例如定時器和中斷。

主迴圈的設計原則

主迴圈是系統的核心部分，負責執行系統的主要任務。設計良好的主迴圈可以確保系統的效率和可靠性。

主迴圈的設計原則

  1. 簡單性：主迴圈應該盡可能簡單，以避免自身出現問題。
  2. 模組化：主迴圈應該模組化，以便於維護和擴充套件。
  3. 可靠性：主迴圈應該能夠可靠地執行系統的主要任務。

主迴圈的實作方式

  1. 輪詢（polling）：主迴圈可以透過輪詢來實作，當系統需要執行任務時，主迴圈會輪詢相關的模組。
  2. 等待（waiting）：主迴圈可以透過等待來實作，當系統需要執行任務時，主迴圈會等待相關的模組完成任務。

主迴圈的優點

  1. 提高系統效率：主迴圈可以提高系統的效率，透過執行系統的主要任務。
  2. 減少系統當機：主迴圈可以減少系統當機的可能性，透過可靠地執行系統的主要任務。
  3. 提高系統安全性：主迴圈可以提高系統的安全性，透過監控系統的狀態並在必要時觸發重置或其他還原措施。

主迴圈的缺點

  1. 增加系統複雜性：主迴圈可能會增加系統的複雜性。
  2. 需要額外的資源：主迴圈需要額外的資源，例如定時器和中斷。

主動控制迴圈

在嵌入式系統中，主動控制迴圈（Main Loop）扮演著至關重要的角色，負責管理系統的活動流程。然而，傳統的阻塞式主迴圈可能會導致系統無法即時回應外部事件。為瞭解決這個問題，我們可以使用計時器中斷（Timer Interrupt）來控制 LED 的切換。

計時器中斷

計時器中斷可以用於控制 LED 的切換，讓系統在不阻塞的情況下執行其他任務。如下所示：

timer interrupt: toggle LED
main:
  init
  while (1)
    read inputs
    write outputs
    pet watchdog

這種方法可以確保 LED 的切換不會阻塞系統的其他任務，但是它也增加了系統的複雜度。

中斷處理

如果系統需要即時回應外部事件，則可以使用中斷處理（Interrupt Handling）來實作。如下所示：

timer interrupt: toggle LED
data available interrupt: copy data in
output ready interrupt: copy data out
main:
  init
  set up interrupts
  while (1)
    pet watchdog
    sleep

這種方法可以讓系統即時回應外部事件，但是它也需要仔細設計中斷處理程式，以避免系統的不穩定性。

事件驅動

為了簡化中斷處理程式的設計，我們可以使用事件驅動（Event-Driven）方法。如下所示：

interrupts set events
main:
  init
  while (1)
    check events
    handle events

這種方法可以讓系統即時回應外部事件，並且簡化了中斷處理程式的設計。

內容解密：

  • 計時器中斷可以用於控制 LED 的切換，讓系統在不阻塞的情況下執行其他任務。
  • 中斷處理可以用於即時回應外部事件，但是需要仔細設計中斷處理程式。
  • 事件驅動方法可以簡化中斷處理程式的設計，並且讓系統即時回應外部事件。

圖表翻譯：

以下是主迴圈的流程圖：

  flowchart TD
  A[初始化] --> B[讀取輸入]
  B --> C[寫入輸出]
  C --> D[餵狗]
  D --> E[睡眠]
  E --> B

這個流程圖展示了主迴圈的基本流程，包括初始化、讀取輸入、寫入輸出、餵狗和睡眠。

主題標題：嵌入式系統中的中斷和排程

段落標題：中斷和全域性變數

在嵌入式系統中，中斷是一種常見的機制，允許系統在特定事件發生時執行特定的程式碼。然而，使用中斷時，往往需要使用全域性變數來控制事件的順序和處理。這種方法雖然可以簡化程式碼，但也可能導致程式碼的複雜性和難以維護。

例如，以下是一個使用全域性變數的中斷處理程式碼：

timer_interrupt: set global led_change variable
data_available_interrupt: set global data_available
output_ready_interrupt: set global output_ready

main:
  init
  while (1)
    if led_change: toggle led; led_change = false
    if data_available: copy input; data_available = false
    if output_ready: copy output; output_ready = false
    pet watchdog
    sleep

這種方法使用全域性變數來控制事件的順序和處理，然而，這種方法也可能導致程式碼的複雜性和難以維護。

段落標題：很小的排程器

另一種方法是使用很小的排程器（Very Small Scheduler），這種排程器透過一個列表來管理任務，並在適當的時間呼叫每個任務的回撥函式。這種方法是根據時間的，系統會在每個時間間隔內呼叫一次任務的回撥函式。

system_tick_interrupt: increment current time
main:
  init
  while (1)
    for each task
      if time to run task
        call task callback function
        set new time to run task
    pet watchdog

這種方法可以簡化程式碼，並且可以確保任務的執行順序，但是也可能導致系統的延遲和不確定性。

段落標題：主動物件

最後，一種主動物件（Active Objects）的方法結合了很小的排程器的簡單性和中斷的分離性。這種方法需要一個實時作業系統（RTOS）來支援，然而，可以提供更好的分離性和可維護性。

// 使用主動物件的程式碼示例

這種方法可以提供更好的分離性和可維護性，然而，也需要更多的資源和複雜性。

內容解密：

  • 中斷是一種常見的機制，允許系統在特定事件發生時執行特定的程式碼。
  • 全域性變數可以用來控制事件的順序和處理，但是也可能導致程式碼的複雜性和難以維護。
  • 很小的排程器可以簡化程式碼，並且可以確保任務的執行順序，但是也可能導致系統的延遲和不確定性。
  • 主動物件可以提供更好的分離性和可維護性，然而，也需要更多的資源和複雜性。

圖表翻譯：

下面是使用Mermaid語法繪製的流程圖：

  flowchart TD
  A[初始化] --> B[任務列表]
  B --> C[時間間隔]
  C --> D[任務回撥函式]
  D --> E[設定新時間]
  E --> F[看門狗]
  F --> G[休眠]

這個流程圖展示了很小的排程器的工作流程，從初始化到任務列表、時間間隔、任務回撥函式、設定新時間、看門狗和休眠。

主動物件（Active Objects）在嵌入式系統中的應用

在嵌入式系統中，尤其是在使用藍牙或其他無線通訊協定的應用中，常常會看到一種被稱為「主動物件」（Active Objects）的設計模式。這種模式的核心思想是將系統分解為多個獨立的任務，每個任務負責處理特定的事件或任務，並透過訊息佇列進行通訊。

主動物件的特點

主動物件具有以下幾個重要特點：

  1. 控制反轉（Inversion of Control）：在傳統的設計中，應用程式的程式碼控制著整個系統的流程。在主動物件中，框架控制著系統的流程，並在需要時呼叫應用程式的程式碼。
  2. 非同步處理：每個任務都是非同步處理的，這意味著任務之間不會阻塞彼此的執行。
  3. 私有資料：每個任務都保持著自己的私有資料，並且只透過訊息佇列與其他任務進行通訊。

綜觀嵌入式系統設計的演進趨勢，從簡單的中斷處理到複雜的主動物件模型，系統架構的複雜度逐步提升。本文深入探討了狀態機器的應用、watchdog 的設計原則、主迴圈的實作方式以及主動物件的特性，並分析了不同方案的優缺點。全域性變數、小型排程器和主動物件分別代表了不同層次的複雜度和控制能力。全域性變數方式易於理解但難以維護；小型排程器提升了效率但缺乏靈活性；而主動物件則提供了最佳的隔離性和可維護性，但需要 RTOS 的支援，增加了系統的複雜度和資源消耗。對於資源受限的嵌入式系統，小型排程器或根據事件驅動的主迴圈可能是更務實的選擇。展望未來，隨著嵌入式系統功能日益複雜，主動物件等更高階的設計模式將在藍牙、無線通訊等領域扮演更重要的角色，系統設計需要在資源消耗和功能複雜度之間取得平衡。玄貓認為，深入理解不同設計模式的特性和適用場景，才能打造高效、穩定且易於維護的嵌入式系統。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。