嵌入式系统/超级循环架构

嵌入式系统

在为嵌入式系统编程时，重要的是满足系统的时限，并在合理的时间内完成系统的所有任务，同时也要以良好的顺序执行。本页将讨论一种常见的程序架构，称为超级循环架构，它在满足这些要求方面非常有用。

定义

超级循环是一种程序结构，它包含一个无限循环，系统的所有任务都在该循环中执行。以下是超级循环实现的一般伪代码。

Function Main_Function()
{
  Initialization();
  Do_Forever
  {
    Check_Status();
    Do_Calculations();
    Output_Response();
  }
}

我们在进入超级循环之前执行初始化例程，因为我们只想初始化系统一次。一旦无限循环开始，我们就不想重置值，因为我们需要在嵌入式系统中维护持久状态。

循环实际上是经典“批处理”控制流的一种变体：读取输入，计算一些值，写入值。一直执行，直到没有更多输入数据“卡”。因此，嵌入式系统软件并不是唯一使用这种架构的软件类型。例如，电脑游戏经常使用类似的循环。在那里，循环被称为（紧密）(主)游戏循环。

节能超级循环

假设我们有一个嵌入式系统，它的平均循环时间为1毫秒，并且只需要每秒检查一次特定输入。继续循环程序似乎是一种浪费，尤其是在大多数情况下我们不需要做任何事情的时候。在这种情况下，程序将在读取输入之前循环1000次，程序的其他999次循环仅仅是到下一次读取的倒计时。在这种情况下，让处理器一直以100%的容量运行效率极低。现在，我们将实现一个扩展的超级循环来构建一个延迟。

Function Main_Function()
{
  Initialization();
  Do_Forever
  {
    Check_Status();
    Do_Calculations();
    Output_Response();
    Delay_For_Next_Loop();
  }
}

请注意，我们如何在超级循环末尾添加了一个延迟？如果我们将此延迟设置为延迟999毫秒，我们不需要循环1000次，我们可以在每次循环时读取输入。

此外，重要的是要注意，许多微控制器都有节能模式，在这种模式下，它们将需要更少的电力，如果系统是通过电池供电的，这将尤其有用。

功耗计算

假设我们有一个微控制器，它在“正常模式”下使用20毫瓦的功率，但在“低功耗模式”下只需要5毫瓦的功率。假设我们正在使用上面的示例超级循环，它在99.9%的时间（每秒1毫秒的计算）处于“低功耗模式”，并且仅在0.1%的时间处于正常模式。

$\mathrm {Power} ={\frac {(99.9\%\times 5\ \mathrm {mW} )+(0.1\%\times 20\ \mathrm {mW} )}{100\%}}=5.015\ \mathrm {mW} \quad \mathrm {Average}$

请注意，我们可以通过添加大量的延迟来降低功耗？这尤其重要，因为很少有嵌入式应用程序需要100%的处理器资源。大多数嵌入式系统能够在低功耗状态下等待，直到需要时才运行。