单片机程序执行与封装思想
注明：文章转载于知乎专栏“单片机嵌入式软件开发经验分享”，跟大家分享优质内容。
1、单片机如何执行程序？
我原先对计算机是如何执行程序的非常的痴迷，希望能够明白最底层的道理，我在单片机这个设备上找到了一点影子。
对单片机执行程序的理解，我读了王爽老师写的《汇编语言》这本书， 然后结合自己的思考。
我认为
程序执行 = 不停的写不同的寄存器。
上一篇文章写道，嵌入式软件开发最一般的操作就是控制类似P0OUT这样与实际底层相关的寄存器。写嵌入式软件代码，实际上就是写一系列操作底层寄存器的语句。
一般会将P0OUT这样的寄存器映射到某一个地址上，这个地址是实际的寄存器物理地址。
在单片机通用的.h文件会给出他的物理地址定义。
例如，笔者使用的MSP430系列单片机，他在<msp430x32x.h>中就定义了各个寄存器的物理地址，此类文件一般由厂家提供。
#define P1OUT_ (0x0021u) /* Port 1 Output */DEFC( P1OUT , P1OUT_)
此段代码，定义了P11OUT关键词与0x0021u地址的联结。
那么，希望P1口输出全是高电平的C代码则为
P1OUT=0XFF;
那么汇编如何写呢？
# mov 00 ff 00 21
//把00ff数据移动到0021物理地址上
于是此时的底层硬件会将00 ff 放入00 21为地址的寄存器中，此时三极管动作，切换底层硬件电路，实现需求功能。
（嵌入式开发实际理解到汇编这一层代码即可。再往下，那就是非常深奥的电路原理，即电路是如何做到把 ff移动到0021地址寄存器的，以及寄存器是如何工作的，等等这样的问题）
嵌入式软件开发还有一个最一般的操作--------数值的数学运算
那么数值的数学运算是不是也是对底层寄存器的配置呢
通过数字电路的学习，我学习到了加法器等逻辑电路，其底层的运算原理已经能和寄存器的知识联结了。
在计算机中有一个叫“算术逻辑单元”的概念
算术逻辑单元_百度百科
这个单元算是把很多算术电路整合在一起了。我们可以通过操作寄存器来使用它。
例如 加法操作，a+b 以及返回结果 c
定义 a 的物理地址为 0x0000
b 的物理地址为 0x0001
C的物理地址为 0x0002
那么
#mov a 0000 //把数据a放入 0000#mov b 0001//把数据b放入0001#read c 0002 //读取0002寄存器的数据放入c中，这里的read指令是我瞎写的，汇编一定有这样的指令
于是c就是加法器的结果输出,得到输出，完成了计算。
嵌入式软件开发还有一个最一般的操作--------数值比较，参考数字比较器的逻辑电路原理
对应程序中的if操作，比较a与b的大小。
例如，if(a>b) 语句，或者 if(a)语句，实际都是把a和b放入数字比较器的两端，获得比较器的输出！
数字比较器
于是嵌入式软件最基础的三个操作（算术运算、硬件电路切换、数值比较
）都是对寄存器的操作。
所以我得出结论，计算机的程序执行，就是不停的写入寄存器数据，并且取出寄存器值得过程。
2、封装思想
我在理解了程序运行就是对寄存器的操作之后，紧接着我就想到，如何建立一个抽象的层面，让我不需要考虑，我这样的寄存器操作是实现怎样硬件操作，而直接达成自己的目的？
于是我想到了封装，工作两年多，持续增长的技能实际上就是封装的技巧。以后的分享中大多数就是对封装的思考。
这篇文章中仅举一个例子，来说明封装的意义。
上一篇文章中提到，跑马灯电路，当P0OUT的低四位为0时，灯会灭，当P0OUT的低四位为1时，灯会亮。
那么寄存器与实际效果的对应关系，我不想时刻记住，该如何去做呢？
于是想到使用函数封装。写下如下代码
typedef enum{Off = 0,On,}led_status_t;void open_led(led_status_t led_0 ,led_status_t led_1 ,led_status_t led_2,led_status_t led_3){uint8_t led_p=0;led_p |= led_0;led_p |= led_1 << 1;led_p |= led_2 << 2;led_p |= led_3 << 3;P0OUT = led_p;}
在任意时刻，我想点亮0号和3号灯则写
open_led(On,Off,Off,On);
此时函数完全与硬件无关，完全到了抽象层，使用此函数这，根本不知道其底层电路原理。实际上当做项目的时候，就算代码是你自己写的，你往往也会忘记底层电路原理的，封装之后，就不用记这些了！
作者思考
笔者理解的嵌入式计算机工作原理，就是不停的写各种功能的寄存器。于是想写好这么多名目繁多的寄存器，一定要挨个封装起来，用更加简明的函数名来标记，这样才能抛开底层电路原理对自己的束缚，完全的放飞自己的想象。
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作者以压力开关为例，继续阐述单片机代码思想。
先前的文章提到，作者认为，嵌入式软件开发等效于不停地读写底层寄存器。因此作者意识到，想要写出优良的代码，必须具备封装的思想，将不同寄存器的操作，用简明的函数名来封装，这样可以在软件开发的过程当中，不在关注底层执行状况，专心的思考算法层面。
作者学习的方法是实践，任何知识都喜欢动手去操作，然后遇到问题通过网络解决，所以在分享自己的学习思考的时候，也想以一个工程实例来展开。
这篇文章，仅是一个开头。
分享的工程名 ： 压力开关软件工程 （PressMeter Prj）
首先，一个良好的软件工程师，在开始着手构建代码之前，就应当思考其结构，因此，当我着手这个工程的时候，需要做非常多的准备工作，并且确定构架。
首先为读者简单介绍计量设备的硬件情况与功能。
压力开关是用来计量气压值，并且做出开关动作的设备。举个实用的简单的例子，例如，我希望某一个密闭空间保持特定压力值100KPA，那么我需要为这个密闭空间接入一个大于100KPA的气源，并且有一个机械开关，控制气管通断，此时将设备接入系统，当密闭空间的气压达到100KPA，那么压力开关输出一个信号，控制机械开关动作，关闭气源。这是一个典型的压力控制负反馈上的一环设备。
硬件结构，简单介绍一下，这一部分都是硬件工程师再弄。是压力传感器，把压力转化为模拟电压信号，并入单片机提供的AD口，三极管动作的控制信号，接入单片机的GPIO口，液晶显示屏，连接单片机，还有几个按键，连在GPIO上。与单片机有关的就这四块电路。
我们已经选好型,MCU采用MSP430，液晶屏控制器SSD1306，AD采用430内部的SD16。
因此，接下来要思考的就是软件构架，作者脑海里面有三个软件层级。
第一级 CSP（Chip Support Program），硬件层，是通过读MCU的DATASHEET，封装单片机各个寄存器的作用，方便调用，本工程封装了，CLK,TIMER,WTD,GPIO,FLASH,SD16这些功能，下文会展开举例。
第二级 DSP(device Support Program),硬件层，思考MCU通过GPIO或者IIC等协议与外部芯片通信的函数封装，例如MCU外部通过GPIO接入了一个液晶显示屏，那么这个液晶显示屏就属于DSP,因为这一部分设备不属于单片机内部，通常调用CSP函数。
第三级 算法层，针对不同的应用，调用CSP DSP代码，实现灵活的编程。
针对同一款单片机，作者从不写第二次CSP，因为完全可以多次重用，这样会提升工程的开发速度。
作者读过一些LINUX的源码，以及很多嵌入式软件高手的代码。脑海里面有操作系统的一些简单思想，所以，希望自己的代码，能够高效快速，实现类似操作系统的多线程功能，因此，在构建软件的时候，还区分了三个层面。这次是根据代码特点区分的三个层面。
第一层 硬件层，代码仅用一次，访问硬件设备用的，被上一级算法调用的层面
第二层 驱动层， 在主函数中反复被调用，是不断被重复的代码。
第三层 算法层， 最高层算法的堆砌
作者喜欢 handle 这个单词，经常在代码中使用这个单词，此单词的中文翻译是句柄。虽然我对最先提出这个概念的作者真正意图没有完全领会，但是通过其代码，加上一些自己的领会我总结了一些用法。
参看我的主函数的写法
其中包括了 三个init 和两个handle ，init 函数仅在程序之初执行一次，handle函数在主函数中不断的被执行，至于handle里面都在做什么事？那就是我接下来很长一段时间想表达的了。写好handle 程序就写好了！
作者，想表达自己对这三个层级，三个层面的理解，但是却不能用一两句表达，但是这也正是我继续写下去的动力吧。思想决定了代码，以后的文章会渐渐表述确切的！
作者的软件结构图如下
其中箭头代表的调用方向。
按照顺序，我会首先封装好硬件层的代码。
硬件层代码包含了CSP代码，和DSP代码，在此工程中，需要用到单片机的功能（ADC模块 GPIO模块 WTD模块 FLASH模块 定时器模块）以及外部电路连接的液晶显示屏控制电路模块（SSD1306）。
封装到怎样的程度我算满意呢？
贴一段我对GPIO的封装代码
typedef enum{P1 = 0,P2,}port_sel;typedef enum{out = 0,in,}port_dir;typedef enum{high=0,low,}port_v;typedef enum{falling =0,rasing,}edge_t;void set_port_dir(port_sel port_id , uint8_t pin_id ,port_dir dir);void set_port_v(port_sel port_id , uint8_t pin_id ,port_v v);uint8_t get_port_v(port_sel port_id , uint8_t pin_id);void set_port_edge_int(port_sel port_id , uint8_t pin_id,edge_t edge);void clear_port_flag(port_sel port_id , uint8_t pin_id);void set_port_inter_enable(port_sel port_id , uint8_t pin_id,bool_t able);
这是.h文件，意味着我提供了哪些工具给上一级。.c文件提供了函数具体的实现方法。这六个函数大体完成了所有需要的功能封装。
当然，至于怎样封装，有什么可以分享的技巧，以后的文章会继续写。
作者思考
有时候，我总是会做重复的工作，例如不同的项目，用的同一个单片机，却要重复写TIMER模块代码。我在思考，为啥不能重用之前的代码呢？于是，泾渭分明的封装开始变得重要了。什么代码与硬件（单片机型号）密切相关，什么完全无关，做好区分。如果一旦换单片机，与硬件无关的代码完全移植走，看都别看第二眼，完全修改CSP函数就可以了，例如第一篇文章写的open_led函数，就是与硬件无关的代码！使用者看到了，仅仅知道，这函数是开一个灯的函数，谁会想他怎样实现的？封装的时代，我们不会关心手机的原理，就可以开心的玩游戏。我们不会关心，为什么和恋人在一起，心里总会那么舒爽，但牵着她的手就好了。那么多复杂的奥秘，我们不需要完全理解，多么幸福的事情呢？
