如何在单片机中使用面向对象的编程思想

面向对象单片机

果果小师弟

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发布时间: 2021-11-05

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**摘要**：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

```c
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。

![](https://img-blog.csdnimg.cn/2c743e708f1347acb9a5affd753bfd1c.png)

对应的编程代码大概是这样的:

```c
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

```c
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！

![ ](https://img-blog.csdnimg.cn/d9b67f19474c4af0891faae9246d03d9.png)

## 1.常规写法
```c
int mian(void)
{
    while (1)
    {
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET)
        {
            printf("按键按下\r\n");
        }
    }
}
```

## 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：

```c
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：

```c
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：

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

1. 左边走义变量`a`，右边定义函数`Sing_song`;
2. 左边定义`int`指针，右边定义函数指针;
3. 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。

```c
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？

```c
KEY_t   KEY1;
```

然后就要初始化结构体的成员变量了。

```c
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。

```c
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\r\n");
		}
		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。

```c
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:

![一块板子，三个屏幕](https://img-blog.csdnimg.cn/0eb74c88882d4e52a6528940e7803133.png)

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。

![果果小师弟](https://img-blog.csdnimg.cn/bb03cb4474a84ec4934bd55e31ea1c97.png)

如果使用面向对象编程，那么就可以这样写代码。
```c
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

```c
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

```c
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

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

## 串口UART

```c
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;

```

![面向对象的单片机编程](https://files.mdnice.com/user/3658/80ec46e6-e7ce-4a8a-a548-00df22cd87d1.jpg)

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