單片機(jī)系統(tǒng)中的多任務(wù)多線程機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

　　摘要：單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)多情況下不是在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上進(jìn)行的，而是直接基于處理器編寫。在多任務(wù)并行執(zhí)行的要求下，可以借鑒操作系統(tǒng)中的任務(wù)和線程機(jī)制，對資源和處理器合理進(jìn)行調(diào)度。本文以實(shí)例對此進(jìn)行討論。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 任務(wù) 線程 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(tǒng)（RTOS）的設(shè)計(jì)。我們討論的是，在不使用RTOS的控制系統(tǒng)中，如何體現(xiàn)多任務(wù)多線程機(jī)制的程序設(shè)計(jì)思想。

　　一些嵌入式設(shè)備可以需要操作系統(tǒng)，例如掌上電腦、PDA、網(wǎng)絡(luò)控制器等高性能的手持設(shè)備和移動設(shè)備。它們往往和無線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問和多媒體處理等復(fù)雜而強(qiáng)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(tǒng)，RTOS有一個(gè)可靠性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包括起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口（API）；根據(jù)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(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性。內(nèi)核一般都能提供任務(wù)調(diào)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(tǒng)中不多見的動態(tài)鏈接庫（DLL）。對于這些RTOS來說，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，用戶使用的是另一類CPU——微控制器，即單片機(jī)，往往是按照某一流程執(zhí)行單一任務(wù)。出于成本和技術(shù)上的原因，這類軟件開發(fā)多數(shù)還是基于處理器直接編寫，沒有選配實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)也會面臨同時(shí)處理多個(gè)并行任務(wù)的要求，這就需要安排一種運(yùn)行機(jī)制，來模擬RTOS中的處理方法。

1 RTOS中的設(shè)計(jì)思想

單處理機(jī)多道程序系統(tǒng)具有如下特征：

　?、購暮暧^上看，幾種程序“同時(shí)運(yùn)行”。即它們先后開始了各自的運(yùn)行，且均未結(jié)束。

　?、趶奈C(jī)上看，幾道程序“交替執(zhí)行”。對于單處理機(jī)系統(tǒng)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(jī)中“交替執(zhí)行”。我們按照現(xiàn)在常用的方法，把一道程序和一個(gè)任務(wù)對應(yīng)，把任務(wù)中的每個(gè)分開的、獨(dú)立執(zhí)行的部分稱之為線程。

　　具體到RTOS來說，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(tǒng)對資源分配具有更強(qiáng)的控制能力。通常的辦法是采取設(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析、輸出數(shù)據(jù)、響應(yīng)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(shù)據(jù)由前臺作業(yè)存儲共享內(nèi)存區(qū)內(nèi)，作業(yè)之間通過共享存儲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)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)間條件滿足來激活。事件有兩種：內(nèi)部事件和外部事件。時(shí)間驅(qū)動也有兩種：按絕對時(shí)間驅(qū)動和按相對時(shí)間驅(qū)動。內(nèi)部事件驅(qū)動是指某一程序運(yùn)行的結(jié)果導(dǎo)致另一任務(wù)的啟動，這個(gè)結(jié)果可能是數(shù)據(jù)滿足一定條件，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(qū)動的。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，外部事件發(fā)生有時(shí)是不可預(yù)測的，由外部事件驅(qū)動的任務(wù)一般是需要立即執(zhí)行的任務(wù)，它的優(yōu)先級最高。絕對時(shí)間驅(qū)動是指在某指定時(shí)刻執(zhí)行的任務(wù)，也就是在自然時(shí)鐘的絕對時(shí)間執(zhí)行。相對時(shí)間驅(qū)動是指周期性執(zhí)行的任務(wù)，總是相對上一次執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)，執(zhí)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(qū)動，如等待某種條件到來。等待時(shí)間是編程設(shè)定的。相對時(shí)間可用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘或軟件計(jì)時(shí)。

    我們在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)當(dāng)中，這兩方面的問題都有所體現(xiàn)，所有的事件驅(qū)動和時(shí)間驅(qū)動都體現(xiàn)在設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)標(biāo)識和線程標(biāo)識。從后面的討論中可以看出，當(dāng)硬件環(huán)境一定時(shí)，依據(jù)這些標(biāo)識，通過安排系統(tǒng)內(nèi)中斷響應(yīng)方式和調(diào)整任務(wù)調(diào)度算法，可以有效解決多任務(wù)并行問題，因?yàn)橄到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要取決于這兩點(diǎn)。

2 多任務(wù)多線程機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

　　我們設(shè)計(jì)的對象是雙通道和四通道測試的某型醫(yī)用檢驗(yàn)設(shè)備。每個(gè)通道可以置入樣本，設(shè)置不同的測試項(xiàng)目，完成測試后輸出不同的測試結(jié)果和附加的計(jì)算結(jié)果。

　　常規(guī)的處理方法是這樣的：和通道只能測試同一個(gè)項(xiàng)目，按統(tǒng)一步驟同步執(zhí)行各任務(wù)的相同階段，其處理示意如圖1。為簡化起見，我們用雙通道進(jìn)行說明。

　　顯然，這樣做不僅會失去測試的靈活性，例如不能同時(shí)測量不項(xiàng)目，不過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程中啟動下一樣本的測試；而且還犧牲效率，浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)橐让總€(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)的多次簡單重復(fù)，設(shè)計(jì)也容易。國內(nèi)很多類似產(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(shè)計(jì)，即要求所有通道可以完全獨(dú)立工作；任意啟動和停止；彼此沒有約速；時(shí)間上可以任意重疊；是幾個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，如圖2。

　　這里我們把每一個(gè)啟動通道進(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(dú)的、分開處理的程序段叫做一個(gè)線程，每個(gè)線程依靠自己的標(biāo)識來識別。一個(gè)通道的測試任務(wù)可分為啟動、設(shè)置、加樣品、預(yù)溫計(jì)時(shí)、加試劑與攪拌、通道輪流采樣、數(shù)據(jù)處理和作圖打印等多個(gè)線程。另外，有一個(gè)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控獨(dú)立線程，它的優(yōu)先級要次于通道的測試采樣。

    這些線程可分屬于前臺和后臺兩類：前臺主要是一些中斷的處理，例如兩路溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、每100ms內(nèi)的各通道循環(huán)檢測一遍、采用中斷方式的鍵盤干預(yù)等；后臺主要是掃描方式下響應(yīng)操作員的按鍵請求、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、打印報(bào)告等內(nèi)容。

　　整個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)制可以簡單地概括如下：前臺通過合理安排中斷的響應(yīng)和服務(wù)方式來對多個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)線程進(jìn)行處理；后臺操作主要以循環(huán)方式掃描各個(gè)任務(wù)的線程標(biāo)識，滿足條件的線程被激活予以處理。

　　限于篇幅，不可能詳細(xì)介紹整個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳轉(zhuǎn)函數(shù)的使用要方便很多。實(shí)時(shí)任務(wù)中，中斷服務(wù)結(jié)束后不是返回到斷點(diǎn)地址執(zhí)行原有程序，而是強(qiáng)制返回到某一地址執(zhí)行新程序的情況非常普遍。我們采用設(shè)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(shè)置入口中的某一個(gè)去執(zhí)行，有效地解決了前臺和后臺任務(wù)線程的靈活切換這一關(guān)鍵問題。我們使用的CPU是97C52，編程語言為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(dú)立線程，四次500ms“周期中斷”（即每2s）后執(zhí)行一遍；需要屏幕顯示預(yù)溫侄計(jì)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(jì)時(shí)線程依靠各自的標(biāo)識啟動和停止；“報(bào)警中斷”需要時(shí)設(shè)置為每分鐘1次，用于主菜單界面顯示當(dāng)前時(shí)間和長定時(shí)的返回。

　　圖4是CPU內(nèi)部定時(shí)器0的中斷服務(wù)，用于A/D轉(zhuǎn)換。每個(gè)測試任務(wù)的A/D分為兩個(gè)線程：檢測試劑加入和測試劑樣品的反應(yīng)曲線，雖然都是通過對光學(xué)傳感器和輸出進(jìn)行檢測的，但處理方法完全不同，數(shù)據(jù)量也很不一樣。定時(shí)器0設(shè)定為每100ms中斷1次，因?yàn)橐酶呔取?Δ轉(zhuǎn)換器件，CPU必須直接控制器件的整個(gè)轉(zhuǎn)換過程，所以，要注意所有通道輪掃一遍A/D的時(shí)間不能超過100ms。

　　圖5為后臺流程。后臺程序依靠通道按鍵啟動一個(gè)測試任務(wù)，然后進(jìn)行該任務(wù)預(yù)處理，類似初始化的一些功能。如果這期間又啟動別的任務(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加入新的任務(wù)，每個(gè)線程的調(diào)度標(biāo)識可以由相關(guān)的前臺線程給出，也可來自相關(guān)的后臺線程。配合Getadd()和Putadd()從中斷強(qiáng)制返回某地此后，使用跳轉(zhuǎn)語句到真正的目標(biāo)地址。

最后給出強(qiáng)制返回程序代碼（供參考）：

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

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(zhuǎn)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(fù)中斷開始時(shí)的那些壓棧值*/

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

{SP++;

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

}

}

結(jié)語

　　限于篇幅，不可能詳述任務(wù)、線程和標(biāo)識的細(xì)節(jié)，僅提出一種單片機(jī)等嵌入式控制系統(tǒng)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(tǒng)中的多任務(wù)和多線程機(jī)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(tǒng)是對多個(gè)相同的任務(wù)進(jìn)行并行處理，但該種設(shè)計(jì)方法應(yīng)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(dāng)中去。