中斷多任務(wù)+狀態(tài)機 單片機軟件結構設計

對于無(wú)os的系統，流行的設計是主程序(主循環(huán)) +（定時(shí)）中斷，這種結構雖然符合自然想法，不過(guò)卻有很多不利之處，首先是中斷可以在主程序的任何地方發(fā)生，隨意打斷主程序。其次主程序與中斷之間的耦合性（關(guān)聯(lián)度）較大，這種做法使得主程序與中斷纏繞在一起，必須仔細處理以防不測。

那么換一種思路，如果把主程序全部放入（定時(shí)）中斷中會(huì )怎么樣？這么做至少可以立即看到幾個(gè)好處:系統可以處于低功耗的休眠狀態(tài)，將由中斷喚醒進(jìn)入主程序;如果程序跑飛，則中斷可以拉回；沒(méi)有了主從之分（其他中斷另計），程序易于模塊化。

(題外話(huà)：這種方法就不會(huì )有何處喂狗的說(shuō)法，也沒(méi)有中斷是否應該盡可能的簡(jiǎn)短的爭論了)

為了把主程序全部放入（定時(shí)）中斷中，必須把程序化分成一個(gè)個(gè)的模塊，即任務(wù)，每個(gè)任務(wù)完成一個(gè)特定的功能，例如掃描鍵盤(pán)并檢測按鍵。設定一個(gè)合理的時(shí)基(tick),例如5, 10或20 ms,每次定時(shí)中斷，把所有任務(wù)執行一遍，為減少復雜性，一般不做動(dòng)態(tài)調度（最多使用固定數組以簡(jiǎn)化設計，做動(dòng)態(tài)調度就接近os了），這實(shí)際上是一種無(wú)優(yōu)先級時(shí)間片輪循的變種。來(lái)看看主程序的構成：

void main()

{

….// Initialize

while (true) {

IDLE；//sleep

}

}

這里的IDLE是一條sleep指令，讓mcu進(jìn)入低功耗模式。中斷程序的構成

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

….

進(jìn)入中斷后，首先重置Timer,這主要針對8051, 8051自動(dòng)重裝分頻器只有8-bit,難以做到長(cháng)時(shí)間定時(shí)；復位stack，即把stack指針賦值為棧頂或棧底（對于pic，TI DSP等使用循環(huán)棧的mcu來(lái)說(shuō)，則無(wú)此必要），用以表示與過(guò)去決裂，而且不準備返回到中斷點(diǎn)，保證不會(huì )保留程序在跑飛時(shí)stack中的遺體。Enable_Timer_Interrupt也主要是針對8051。8051由于中斷控制較弱，只有兩級中斷優(yōu)先級，而且使用了如果中斷程序不用reti返回，則不能響應同級中斷這種偷懶方法，所以對于8051,必須調用一次reti來(lái)開(kāi)放中斷：

_Enable_Timer_Interrupt:

acall_reti

_reti:reti

下面就是任務(wù)的執行了，這里有幾種方法。第一種是采用固定順序，由于mcu程序復雜度不高，多數情況下可以采用這種方法：

…

Enable_Timer_Interrupt;

ProcessKey();

RunTask2();

…

RunTaskN();

while (1) IDLE；

可以看到中斷把所有任務(wù)調用一遍，至于任務(wù)是否需要運行，由程序員自己控制。另一種做法是通過(guò)函數指針數組：

#define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))

typedef void (*FUNCTIONPTR)();

const FUNCTIONPTR[] tasks = {

ProcessKey,

RunTask2，

…

RunTaskN

};

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

for (i=0; i

(*tasks[i])();

while (1) IDLE；

}

使用const是讓數組內容位于code segment（ROM)而非data segment (RAM)中，8051中使用code作為const的替代品。

(題外話(huà)：關(guān)于函數指針賦值時(shí)是否需要取地址操作符&的問(wèn)題，與數組名一樣，取決于compiler.對于熟悉匯編的人來(lái)說(shuō)，函數名和數組名都是常數地址，無(wú)需也不能取地址。對于不熟悉匯編的人來(lái)說(shuō)，用&取地址是理所當然的事情。Visual C++ 2005對此兩者都支持)

這種方法在匯編下表現為散轉,一個(gè)小技巧是利用stack獲取跳轉表入口:

movA, state

acallMultiJump

ajmpstate0

ajmpstate1

...

MultiJump:popDPH

popDPL

rlA

jmp@A+DPTR

還有一種方法是把函數指針數組（動(dòng)態(tài)數組，鏈表更好，不過(guò)在mcu中不適用）放在data segment中，便于修改函數指針以運行不同的任務(wù)，這已經(jīng)接近于動(dòng)態(tài)調度了：

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

tasks[0] = ProcessKey;

tasks[0] = RunTaskM;

tasks[0] = NULL;

...

FUNCTIONPTR pFunc;

for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++){

pFunc = tasks[i]);

if (pFunc != NULL)

(*pFunc)();

}

通過(guò)上面的手段，一個(gè)中斷驅動(dòng)的框架形成了，下面的事情就是保證每個(gè)tick內所有任務(wù)的運行時(shí)間總和不能超過(guò)一個(gè)tick的時(shí)間。為了做到這一點(diǎn)，必須把每個(gè)任務(wù)切分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，每個(gè)tick內運行一片。這里引入了狀態(tài)機(state machine)來(lái)實(shí)現切分。關(guān)于state machine,很多書(shū)中都有介紹，這里就不多說(shuō)了。

(題外話(huà)：實(shí)踐升華出理論，理論再作用于實(shí)踐。我很長(cháng)時(shí)間不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到學(xué)習UML/C++，書(shū)中介紹tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然開(kāi)朗。功夫在詩(shī)外，掌握C++,甚至C# JAVA,對理解嵌入式程序設計，會(huì )有莫大的幫助)

狀態(tài)機的程序實(shí)現相當簡(jiǎn)單，第一種方法是用swich-case實(shí)現：

void RunTaskN()

{

switch (state) {

case 0: state0(); break;

case 1: state1(); break;

…

case M: stateM(); break;

default:

state = 0;

}

}

另一種方法還是用更通用簡(jiǎn)潔的函數指針數組：

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };

void RunTaskN()

{

(*states[state])();

}

下面是state machine控制的例子：

void state0() { }

void state1() { state++; }//next state;

void state2() { state+=2; }//go to state 4;

void state3() { state--; }//go to previous state;

void state4() { delay = 100; state++; }

void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }//delay 100*tick

void state6() { state=0; }//go to the first state

一個(gè)小技巧是把第一個(gè)狀態(tài)state0設置為空狀態(tài)，即：

void state0() { }

這樣，state =0可以讓整個(gè)task停止運行，如果需要投入運行，簡(jiǎn)單的讓state = 1即可。