利用Protothread實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)系統

　　嵌入式程序框架一般類(lèi)似于程序1所示結構：系統中有3個(gè)任務(wù)——TaskA、TaskB、TaskC，均放置于主循環(huán)內，在每一個(gè)循環(huán)周期內都被執行一次。在這種結構中，能滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的條件是： （當且僅當）TaskA 、TaskB、TaskC三個(gè)任務(wù)的運行時(shí)間之和要小于系統實(shí)時(shí)響應的時(shí)間要求。在系統較為簡(jiǎn)單、任務(wù)運行時(shí)間能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求的情況下，可以采用這種最簡(jiǎn)單、最直接的順序執行方式。但是更多的情形是，系統不僅要對一些事件做出實(shí)時(shí)響應，并且還要承擔很多其他的非實(shí)時(shí)任務(wù)，并且這些非實(shí)時(shí)任務(wù)的運行時(shí)間要遠遠超出了實(shí)時(shí)響應時(shí)間的要求。傳統的這種程序結構顯然不能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求。通常的解決方案是，引入實(shí)時(shí)操作系統，由操作系統進(jìn)行任務(wù)的調度，優(yōu)先執行實(shí)時(shí)任務(wù)，達到滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求。

　　程序1嵌入式程序框架

　　一般來(lái)說(shuō)，在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中引入實(shí)時(shí)操作系統有諸多優(yōu)點(diǎn)：

　　更好地支持多任務(wù)，實(shí)時(shí)性要求能夠得以保障；
　　程序開(kāi)發(fā)更加容易，也更便于維護；
　　有利于提高系統的穩定性和可靠性。但是，操作系統的引入也將帶來(lái)較多的系統開(kāi)銷(xiāo)：
　　實(shí)時(shí)操作系統往往使用定時(shí)器中斷來(lái)切換任務(wù)，需要消耗不少的CPU處理時(shí)間；
　　實(shí)時(shí)操作系統在切換任務(wù)時(shí)需要保護當前任務(wù)的執行現場(chǎng)，這就需要為每個(gè)任務(wù)準備足夠多的RAM空間來(lái)實(shí)現任務(wù)切換；
　　實(shí)時(shí)操作系統的本身也需要占用相當數量的Flash空間和RAM空間。

　　如果這些系統開(kāi)銷(xiāo)都在可承受的范圍內，那么采用實(shí)時(shí)操作系統將是最佳的選擇。但是在很多應用的場(chǎng)合，特別是系統的資源非常緊張的單片機應用，實(shí)時(shí)操作系統帶來(lái)的系統開(kāi)銷(xiāo)往往是不可接受的。而更換速度更快、RAM更大、Flash更多的CPU意味著(zhù)成本的增加，且會(huì )降低產(chǎn)品的競爭力。當系統中的任務(wù)不須進(jìn)行非常復雜的優(yōu)先級調度，而且其任務(wù)也相對簡(jiǎn)單時(shí)，引入實(shí)時(shí)操作系統似有殺雞用牛刀之嫌。

　　1 Protothread的特點(diǎn)

　　Protothread是專(zhuān)為資源有限的系統設計的一種耗費資源特別少并且不使用堆棧的線(xiàn)程模型，其特點(diǎn)是：

　　以純C語(yǔ)言實(shí)現，無(wú)硬件依賴(lài)性；
　　極少的資源需求，每個(gè)Protothread僅需要2個(gè)額外的字節；
　　可以用于有操作系統或無(wú)操作系統的場(chǎng)合；
　　支持阻塞操作且沒(méi)有棧的切換。

　　使用Protothread實(shí)現多任務(wù)的最主要的好處在于它的輕量級。每個(gè)Protothread不需要擁有自已的堆棧，所有的Protothread共享同一個(gè)堆?？臻g，這一點(diǎn)對于RAM資源有限的系統尤為有利。相對于操作系統下的多任務(wù)而言，每個(gè)任務(wù)都有自已的堆?？臻g，這將消耗大量的RAM資源，而每個(gè)Protothread僅使用一個(gè)整型值保存當前狀態(tài)。

　　2 Protothread的阻塞運行機制

　　以下是一個(gè)典型的Protothread程序示例：

　　程序2Protothread程序示例

　　這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)通信的狀態(tài)切換程序①，展開(kāi)Protothread的宏定義，便可以得到程序3所示的展開(kāi)代碼：

　　程序3Protothread宏展開(kāi)代碼

　　當Protothread程序運行到PT_WAIT_UNTIL時(shí)，判斷其運行條件是否滿(mǎn)足，若不滿(mǎn)足，則阻塞。通過(guò)比對程序2和程序3的程序代碼可以得知，Protothread的阻塞其實(shí)質(zhì)就是函數返回，只不過(guò)在返回前保存了當前的阻塞位置，待下一次Protothread被調用時(shí)，直接跳到阻塞位置執行，再次判斷運行條件是否滿(mǎn)足，并執行后續程序或繼續阻塞。

　　3 利用Protothread構造實(shí)時(shí)多任務(wù)系統

　　與操作系統下的多任務(wù)不同，操作系統下的每個(gè)任務(wù)可在任意時(shí)刻被打斷并阻塞，Protothread僅能在程序員指定位置阻塞。用Protothread實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)，正是利用了Protothread在指定位置阻塞的特點(diǎn)，讓出執行權限給更高優(yōu)先級的任務(wù)先運行。

　　下面舉例說(shuō)明如何利用Protothread構造實(shí)時(shí)多任務(wù)系統。

　　系統要求：

　　TaskA實(shí)時(shí)任務(wù)，30 ms內響應，運行時(shí)間<20 ms；

　　TaskB實(shí)時(shí)任務(wù)，200 ms內響應，運行時(shí)間<40 ms；

　　TaskC非實(shí)時(shí)任務(wù)，響應時(shí)間無(wú)要求，運行時(shí)間>30 ms。