嵌入式前后台（Bare-Metal RTOS-Like）架构详解

前后台（Bare-Metal RTOS-Like）架构

在嵌入式系统开发中，针对资源有限的STM32微控制器，前后台（Bare-Metal RTOS-Like）架构是一种轻量级的实时性设计方法，它模拟了实时操作系统（RTOS）的核心概念和机制，但无需完整的RTOS内核，降低了系统开销。以下是前后台架构的详细解析：

架构组成前后台架构主要包含两大部分：

前台（Foreground）：也称为“主循环”或“超级循环”，负责处理所有实时任务和事件。前台通常是一个无限循环，按照优先级顺序或轮询方式检查各个任务的状态，执行相应的处理逻辑。

后台（Background）：包含一组异步运行的硬件中断服务程序（ISR）。当外部事件（如定时器中断、串口接收中断等）发生时，ISRs会被立即调用，快速响应并处理这些事件，然后返回前台继续执行。

任务调度与管理在前后台架构中，任务调度相对简单：

实时任务：通过硬件定时器产生周期性中断，驱动前台主循环中的高优先级实时任务执行。例如，控制电机的PWM信号更新、传感器数据采集等。

非实时任务：在主循环中以较低优先级轮询执行，如数据显示、网络通信等。这类任务的执行时间可能受到实时任务的影响，但通常不会对系统整体实时性造成严重影响。

事件处理与同步通过中断和全局变量等方式实现事件通知与同步：

中断触发：硬件事件（如按键按下、串口接收到数据等）触发相应中断，ISR快速处理并将事件标志置位，主循环检查这些标志以执行后续处理。

信号量/互斥量：虽然没有完整的RTOS内核支持，但可以通过自定义数据结构和算法模拟简单的信号量或互斥量机制，实现任务间的同步与互斥。

实际应用与C语言代码示例

前后台架构广泛应用于各类嵌入式系统，包括但不限于工业控制、智能家居、消费电子、物联网设备等。下面以STM32为基础，给出两个典型应用实例及其对应的C语言代码：

应用实例一：LED闪烁控制系统

以下是一个基于前后台架构的STM32嵌入式LED闪烁控制系统的C语言示例。该系统包括一个前台主循环和一个定时器中断服务程序，实现了LED每隔500毫秒交替亮灭的效果。假设使用STM32F103C8T6型号，并使用TIM2定时器。

#include "stm32f103xb.h"

// 定义LED端口和状态标志
#define LED_PORT     GPIOB
#define LED_PIN      GPIO_PIN_5
volatile uint8_t led_state = 0;

// 定时器中断服务程序（后台）
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) { // 检查CC1中断标志
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF; // 清除中断标志
        // 翻转LED状态
        led_state ^= 1;
    }
}

int main(void) {
    // 初始化
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; // 使能GPIOB时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 使能TIM2时钟

    GPIOB->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0; // 设置PB5为输出
    TIM2->ARR = 9999;                     // 自动重装载值，设置定时周期（根据晶振频率计算）
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; // 选择PWM模式1
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;         // 使能CC1通道
    TIM2->CCR1 = 4999;                   // 设置初始占空比为50%
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;        // 使能CC1中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);           // 使能TIM2中断
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;            // 启动TIM2

    // 前台主循环（Foreground）
    while (1) {
        // 根据LED状态更新输出
        if (led_state) {
            LED_PORT->ODR |= LED_PIN;
        } else {
            LED_PORT->ODR &= ~LED_PIN;
        }
    }

    return 0;
}

应用实例二：按键响应与数据显示系统

下面是一个基于前后台架构的STM32嵌入式按键响应与数据显示系统的C语言示例。系统包括一个前台主循环、一个按键中断服务程序和一个定时器中断服务程序，实现按键检测、状态显示以及每隔1秒刷新LCD显示屏的功能。假设使用STM32F407VG型号，并使用EXTI线0（PA0）作为按键输入，TIM3定时器用于LCD刷新。

#include "stm32f4xx.h"
#include "lcd_driver.h"

// 定义按键状态标志
volatile uint8_t button_pressed = 0;

// 按键中断服务程序（后台）
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) { // 检查EXTI0中断标志
        EXTI->PR = EXTI_PR_PR0; // 清除中断标志
        button_pressed = 1;     // 标记按键已被按下
    }
}

// 定时器中断服务程序（后台）
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) { // 检查更新中断标志
        TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除中断标志
        lcd_refresh();           // 刷新LCD显示内容
    }
}

int main(void) {
    // 初始化
    // ...（省略与LED闪烁系统类似的GPIO、TIM3和EXTI初始化）

    // 前台主循环（Foreground）
    while (1) {
        if (button_pressed) {
            // 处理按键事件
            button_pressed = 0;
            lcd_display("Button Pressed!");
        }
    }

    return 0;
}