單片機系統中的多任務(wù)多線(xiàn)程機制的實(shí)現

　　摘要：單片機系統的開(kāi)發(fā)多情況下不是在嵌入式操作系統平臺上進(jìn)行的，而是直接基于處理器編寫(xiě)。在多任務(wù)并行執行的要求下，可以借鑒操作系統中的任務(wù)和線(xiàn)程機制，對資源和處理器合理進(jìn)行調度。本文以實(shí)例對此進(jìn)行討論。

    關(guān)鍵詞：單片機 任務(wù) 線(xiàn)程 并行處理

引言

　　首先要指出的是一點(diǎn)是，我們不是討論嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統（RTOS）的設計。我們討論的是，在不使用RTOS的控制系統中，如何體現多任務(wù)多線(xiàn)程機制的程序設計思想。

　　一些嵌入式設備可以需要操作系統，例如掌上電腦、PDA、網(wǎng)絡(luò )控制器等高性能的手持設備和移動(dòng)設備。它們往往和無(wú)線(xiàn)通信、互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)和多媒體處理等復雜而強大的功能聯(lián)系在一起；對CPU要求也很高，往往是以通用CPU為原型的各種高端嵌入式處理器。

　　作為一個(gè)完整的操作系統，RTOS有一個(gè)可靠性很高的實(shí)時(shí)內核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包括起來(lái)，留給用戶(hù)一個(gè)標準的應用程序接口（API）；根據各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU的時(shí)間，保證程序執行的實(shí)時(shí)性、可靠性。內核一般都能提供任務(wù)調度和中斷服務(wù)等功能，部分高檔商業(yè)化產(chǎn)品，如Windows XP Embedded，甚至支持32位地址空間、虛擬存儲管理、多進(jìn)程以及嵌入式操作系統中不多見(jiàn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）。對于這些RTOS來(lái)說(shuō)，多任務(wù)實(shí)時(shí)處理不是件困難的事情。

    但更多的情況下，用戶(hù)使用的是另一類(lèi)CPU——微控制器，即單片機，往往是按照某一流程執行單一任務(wù)。出于成本和技術(shù)上的原因，這類(lèi)軟件開(kāi)發(fā)多數還是基于處理器直接編寫(xiě)，沒(méi)有選配實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統作為開(kāi)發(fā)平臺，也不需要將系統軟件和應用軟件分開(kāi)處理。但是在實(shí)際應用中，有時(shí)也會(huì )面臨同時(shí)處理多個(gè)并行任務(wù)的要求，這就需要安排一種運行機制，來(lái)模擬RTOS中的處理方法。

1 RTOS中的設計思想

單處理機多道程序系統具有如下特征：

　?、購暮暧^(guān)上看，幾種程序“同時(shí)運行”。即它們先后開(kāi)始了各自的運行，且均未結束。

　?、趶奈C上看，幾道程序“交替執行”。對于單處理機系統而言，它們只能輪流地占用CPU。

　　其實(shí)質(zhì)是指幾道程序在處理機中“交替執行”。我們按照現在常用的方法，把一道程序和一個(gè)任務(wù)對應，把任務(wù)中的每個(gè)分開(kāi)的、獨立執行的部分稱(chēng)之為線(xiàn)程。

　　具體到RTOS來(lái)說(shuō)，一方面，實(shí)時(shí)操作中的多任務(wù)引起的并發(fā)性和實(shí)時(shí)性，要求操作系統對資源分配具有更強的控制能力。通常的辦法是采取設立前臺與后臺兩個(gè)作業(yè)的分配辦法。前臺作業(yè)中包含實(shí)時(shí)采集、控制、處理有關(guān)的任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級較高；后臺作業(yè)一般是對數據進(jìn)行分析、輸出數據、響應操作員請求等任務(wù)，優(yōu)先級較低。后臺作業(yè)中與后臺作業(yè)并非完全孤立的；后臺作業(yè)所需數據由前臺作業(yè)存儲共享內存區內，作業(yè)之間通過(guò)共享存儲區進(jìn)行數據交換。

　　另一方面，實(shí)時(shí)任務(wù)總是由某個(gè)事件發(fā)生或時(shí)間條件滿(mǎn)足來(lái)激活。事件有兩種：內部事件和外部事件。時(shí)間驅動(dòng)也有兩種：按絕對時(shí)間驅動(dòng)和按相對時(shí)間驅動(dòng)。內部事件驅動(dòng)是指某一程序運行的結果導致另一任務(wù)的啟動(dòng)，這個(gè)結果可能是數據滿(mǎn)足一定條件，也可能是釋放了某一資源；而最典型的實(shí)時(shí)任務(wù)是由外部事件驅動(dòng)的。在實(shí)時(shí)系統中，外部事件發(fā)生有時(shí)是不可預測的，由外部事件驅動(dòng)的任務(wù)一般是需要立即執行的任務(wù)，它的優(yōu)先級最高。絕對時(shí)間驅動(dòng)是指在某指定時(shí)刻執行的任務(wù)，也就是在自然時(shí)鐘的絕對時(shí)間執行。相對時(shí)間驅動(dòng)是指周期性執行的任務(wù)，總是相對上一次執行時(shí)間計時(shí)，執行時(shí)間間隔一定。除了周期性任務(wù)外，還有一些同步任務(wù)也可能由相對時(shí)間驅動(dòng)，如等待某種條件到來(lái)。等待時(shí)間是編程設定的。相對時(shí)間可用計算機內部時(shí)鐘或軟件計時(shí)。

    我們在實(shí)時(shí)設計當中，這兩方面的問(wèn)題都有所體現，所有的事件驅動(dòng)和時(shí)間驅動(dòng)都體現在設置相應的任務(wù)標識和線(xiàn)程標識。從后面的討論中可以看出，當硬件環(huán)境一定時(shí)，依據這些標識，通過(guò)安排系統內中斷響應方式和調整任務(wù)調度算法，可以有效解決多任務(wù)并行問(wèn)題，因為系統的實(shí)時(shí)性主要取決于這兩點(diǎn)。

2 多任務(wù)多線(xiàn)程機制的實(shí)現

　　我們設計的對象是雙通道和四通道測試的某型醫用檢驗設備。每個(gè)通道可以置入樣本，設置不同的測試項目，完成測試后輸出不同的測試結果和附加的計算結果。

　　常規的處理方法是這樣的：和通道只能測試同一個(gè)項目，按統一步驟同步執行各任務(wù)的相同階段，其處理示意如圖1。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們用雙通道進(jìn)行說(shuō)明。

　　顯然，這樣做不僅會(huì )失去測試的靈活性，例如不能同時(shí)測量不項目，不過(guò)隨意在不同通道中測試不同版本，即使有空余通道也不能在上一樣本測試過(guò)程中啟動(dòng)下一樣本的測試；而且還犧牲效率，浪費時(shí)間，因為要等每個(gè)階段最慢的一個(gè)處理完才能進(jìn)入下一階段。這其實(shí)是單任務(wù)的多次簡(jiǎn)單重復，設計也容易。國內很多類(lèi)似產(chǎn)品采用了這種方案，但我們放棄了。

　　我們選擇了安全并行的設計，即要求所有通道可以完全獨立工作；任意啟動(dòng)和停止；彼此沒(méi)有約速；時(shí)間上可以任意重疊；是幾個(gè)獨立的任務(wù)，如圖2。

　　這里我們把每一個(gè)啟動(dòng)通道進(jìn)行測試的程序叫做一個(gè)任務(wù)，把各自任務(wù)下的每一個(gè)單獨的、分開(kāi)處理的程序段叫做一個(gè)線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程依靠自己的標識來(lái)識別。一個(gè)通道的測試任務(wù)可分為啟動(dòng)、設置、加樣品、預溫計時(shí)、加試劑與攪拌、通道輪流采樣、數據處理和作圖打印等多個(gè)線(xiàn)程。另外，有一個(gè)溫度的實(shí)時(shí)監控獨立線(xiàn)程，它的優(yōu)先級要次于通道的測試采樣。

    這些線(xiàn)程可分屬于前臺和后臺兩類(lèi)：前臺主要是一些中斷的處理，例如兩路溫度的實(shí)時(shí)監控、每100ms內的各通道循環(huán)檢測一遍、采用中斷方式的鍵盤(pán)干預等；后臺主要是掃描方式下響應操作員的按鍵請求、數據處理、圖形顯示、打印報告等內容。

　　整個(gè)實(shí)現機制可以簡(jiǎn)單地概括如下：前臺通過(guò)合理安排中斷的響應和服務(wù)方式來(lái)對多個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)線(xiàn)程進(jìn)行處理；后臺操作主要以循環(huán)方式掃描各個(gè)任務(wù)的線(xiàn)程標識，滿(mǎn)足條件的線(xiàn)程被激活予以處理。

　　限于篇幅，不可能詳細介紹整個(gè)設計方案，在此只能給出各測試通道工作任務(wù)的前臺和后臺線(xiàn)程劃分及流程，供參考。然后，給出一個(gè)中斷退出后返回到任意地址的函數，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳轉函數的使用要方便很多。實(shí)時(shí)任務(wù)中，中斷服務(wù)結束后不是返回到斷點(diǎn)地址執行原有程序，而是強制返回到某一地址執行新程序的情況非常普遍。我們采用設置環(huán)境變量的方法，使中斷退出后可以任意返回到多個(gè)設置入口中的某一個(gè)去執行，有效地解決了前臺和后臺任務(wù)線(xiàn)程的靈活切換這一關(guān)鍵問(wèn)題。我們使用的CPU是97C52，編程語(yǔ)言為Keil C51 6.0版。

　　圖3是主定時(shí)器中斷服務(wù)，12C887提供中斷請求信號至int0。12C887的三個(gè)中斷觸發(fā)服務(wù)中，溫度掃描是獨立線(xiàn)程，四次500ms“周期中斷”（即每2s）后執行一遍；需要屏幕顯示預溫侄計時(shí)的時(shí)候使用“更新中斷”，每秒一次，各測試任務(wù)，其倒計時(shí)線(xiàn)程依靠各自的標識啟動(dòng)和停止；“報警中斷”需要時(shí)設置為每分鐘1次，用于主菜單界面顯示當前時(shí)間和長(cháng)定時(shí)的返回。

　　圖4是CPU內部定時(shí)器0的中斷服務(wù)，用于A(yíng)/D轉換。每個(gè)測試任務(wù)的A/D分為兩個(gè)線(xiàn)程：檢測試劑加入和測試劑樣品的反應曲線(xiàn)，雖然都是通過(guò)對光學(xué)傳感器和輸出進(jìn)行檢測的，但處理方法完全不同，數據量也很不一樣。定時(shí)器0設定為每100ms中斷1次，因為要用高精度∑-Δ轉換器件，CPU必須直接控制器件的整個(gè)轉換過(guò)程，所以，要注意所有通道輪掃一遍A/D的時(shí)間不能超過(guò)100ms。

　　圖5為后臺流程。后臺程序依靠通道按鍵啟動(dòng)一個(gè)測試任務(wù)，然后進(jìn)行該任務(wù)預處理，類(lèi)似初始化的一些功能。如果這期間又啟動(dòng)別的任務(wù)，則未初始化完的先前任務(wù)中止。

    初始化完成后進(jìn)入多任務(wù)所屬線(xiàn)程的循環(huán)處理階段，其間可以隨時(shí)由通道按鍵引起的中斷來(lái)加入新的任務(wù)，每個(gè)線(xiàn)程的調度標識可以由相關(guān)的前臺線(xiàn)程給出，也可來(lái)自相關(guān)的后臺線(xiàn)程。配合Getadd()和Putadd()從中斷強制返回某地此后，使用跳轉語(yǔ)句到真正的目標地址。

最后給出強制返回程序代碼（供參考）：

/*保存當前地址信息到環(huán)境變量JMPEnv[env1][]中，每個(gè)變量由三項組成，env1是二維下標參數*/

void getadd(unsigned char env1)

{unsigned char temp;

temp=SP;

JMPEnv[env1][0]=(*((unsigned char idata*)SP));

temp--;

JMPEnv[env1][1]=(*((unsigned char idata*)temp));

JMPEnv[env1][2]=SP-2；

}

/*置中斷返回的任意跳轉地址*/

void putadd(unsigned char env1)reentrant

{ unsigned char temp[15];char i;

/*下面保存進(jìn)入中斷程序時(shí)的壓棧值*/

for(i=0,i<15;i++)

{temp[i]=(*((unsigned char idata*)SP));

SP--;

}

/*放置新地址*/

SP=JMPEnv[env1][2];SP++；

（*（（unsigned char idata*）SP）=JMPEnv[env1][1];SP++；

（*（（unsigned char idata*）SP））=JMPEnv[env1][0];

/*恢復中斷開(kāi)始時(shí)的那些壓棧值*/

for(i=14;i>=0;i--)

{SP++;

(*((unsigned char idata*)SP))=temp[i];

}

}

結語(yǔ)

　　限于篇幅，不可能詳述任務(wù)、線(xiàn)程和標識的細節，僅提出一種單片機等嵌入式控制系統對多任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的一種思想；借鑒于主流操作系統中的多任務(wù)和多線(xiàn)程機制。實(shí)踐證明，這種想法是行之有效的，并且取得了很好的效果。

　　雖然我們研制的系統是對多個(gè)相同的任務(wù)進(jìn)行并行處理，但該種設計方法應該可以推廣到多種不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)任務(wù)的并行處理當中去。