前后台系统（Foreground/Background System）是一种常见的嵌入式系统编程模型，尤其是在那些不需要复杂操作系统的简单系统中。这种系统架构通常用于实时性要求不是极端苛刻的环境，但在响应外部事件时仍需要一定的及时性。下面我将详细介绍前后台系统的工作原理，并提供一个具体的例子。
前后台系统的定义
前后台系统主要由两大部分组成：
后台（Background）：
- 后台系统是主程序的一个无限循环（也称为“超级循环”或“主循环”），在这个循环中，程序按顺序执行一系列的任务。
- 后台循环负责执行那些不需要立即响应的任务，如数据处理、长时间运行的算法、通信协议的维护等。
- 后台任务通常按照一定的优先级顺序执行，但是它们的执行是顺序的，这意味着正在执行的后台任务必须完成或被中断，下一个任务才能开始。
前台（Foreground）：
- 前台系统是由中断服务程序（ISR, Interrupt Service Routines）组成的，这些ISR用于处理外部事件，如硬件中断（硬件定时器到期、外部输入变化、通信端口接收完成等）。
- 当一个中断发生时，CPU会暂停后台任务的执行，转而执行相应的ISR来处理中断事件。
- ISR通常非常简短，它们的主要工作是保存关键数据，更新状态标志，或者启动后台任务中的某个操作，而不是执行长时间的计算。
工作流程
- 初始化：程序开始时，初始化硬件和中断，设置中断向量表。
- 主循环：进入一个无限循环，按顺序执行后台任务。
- 中断处理：当外部事件触发中断时，CPU会跳转到ISR，处理事件并更新状态，然后返回主循环继续执行后台任务。
- 任务调度：在ISR中，可能需要更新任务状态，以便在下次主循环中执行特定任务。
例子：温度监控系统
假设我们有一个简单的温度监控系统，使用一个微控制器来读取一个温度传感器的值，并通过串行接口发送给远程服务器。系统还包含一个按钮，按下按钮时应立即发送当前温度值。
后台系统
- 温度读取和发送：在后台循环中定期读取温度传感器的值，每分钟通过串行接口发送一次温度数据到服务器。
- 其他维护任务：如检查电池电压、维护系统日志等。
前台系统
- 按钮中断：设置一个外部中断，当按钮被按下时触发。ISR检查按钮状态，如果被按下，则设置一个标志位，指示后台循环立即发送当前温度值。
伪代码示例
C
深色版本
1void main() {
2 // 初始化硬件
3 init_hardware();
4
5 // 无限循环
6 while (1) {
7 // 读取温度
8 read_temperature();
9
10 // 如果按钮被按下
11 if (button_pressed_flag) {
12 // 发送当前温度
13 send_current_temperature();
14 button_pressed_flag = FALSE;
15 }
16
17 // 每分钟发送一次温度
18 if (time_to_send()) {
19 send_temperature();
20 }
21
22 // 其他后台任务
23 perform_other_tasks();
24 }
25}
26
27// 中断服务程序
28void button_isr() {
29 // 标记按钮已被按下
30 button_pressed_flag = TRUE;
31}在这个例子中，后台系统处理定期任务，而前台系统通过中断处理即时事件，确保系统能够及时响应按钮按下这一外部事件。