單片機系統(tǒng)中的多任務多線程機制的實現(xiàn)
關(guān)鍵詞：單片機 任務 線程 并行處理
引言
首先要指出的是一點是，我們不是討論嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）的設計。我們討論的是，在不使用RTOS的控制系統(tǒng)中，如何體現(xiàn)多任務多線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(tǒng)，例如掌上電腦、PDA、網(wǎng)絡控制器等高性能的手持設備和移動設備。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。
作為一個完整的操作系統(tǒng)，RTOS有一個可靠性很高的實時內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包括起來，留給用戶一個標準的應用程序接口（API）；根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，合理地在不同任務之間分配CPU的時間，保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性。內(nèi)核一般都能提供任務調(diào)度和中斷服務等功能，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，多任務實時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，往往是按照某一流程執(zhí)行單一任務。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，沒有選配實時多任務操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，也不需要將系統(tǒng)軟件和應用軟件分開處理。但是在實際應用中，有時也會面臨同時處理多個并行任務的要求，這就需要安排一種運行機制，來模擬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(tǒng)具有如下特征：
①從宏觀上看，幾種程序“同時運行”。即它們先后開始了各自的運行，且均未結(jié)束。
②從微機上看，幾道程序“交替執(zhí)行”。對于單處理機系統(tǒng)而言，它們只能輪流地占用CPU。
其實質(zhì)是指幾道程序在處理機中“交替執(zhí)行”。我們按照現(xiàn)在常用的方法，把一道程序和一個任務對應，把任務中的每個分開的、獨立執(zhí)行的部分稱之為線程。
具體到RTOS來說，一方面，實時操作中的多任務引起的并發(fā)性和實時性，要求操作系統(tǒng)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作業(yè)的分配辦法。前臺作業(yè)中包含實時采集、控制、處理有關(guān)的任務，任務優(yōu)先級較高；后臺作業(yè)一般是對數(shù)據(jù)進行分析、輸出數(shù)據(jù)、響應操作員請求等任務，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)進行數(shù)據(jù)交換。
另一方面，實時任務總是由某個事件發(fā)生或時間條件滿足來激活。事件有兩種：內(nèi)部事件和外部事件。時間驅(qū)動也有兩種：按絕對時間驅(qū)動和按相對時間驅(qū)動。內(nèi)部事件驅(qū)動是指某一程序運行的結(jié)果導致另一任務的啟動，這個結(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；而最典型的實時任務是由外部事件驅(qū)動的。在實時系統(tǒng)中，外部事件發(fā)生有時是不可預測的，由外部事件驅(qū)動的任務一般是需要立即執(zhí)行的任務，它的優(yōu)先級最高。絕對時間驅(qū)動是指在某指定時刻執(zhí)行的任務，也就是在自然時鐘的絕對時間執(zhí)行。相對時間驅(qū)動是指周期性執(zhí)行的任務，總是相對上一次執(zhí)行時間計時，執(zhí)行時間間隔一定。除了周期性任務外，還有一些同步任務也可能由相對時間驅(qū)動，如等待某種條件到來。等待時間是編程設定的。相對時間可用計算機內(nèi)部時鐘或軟件計時。
圖2 獨立并行任務
我們在實時設計當中，這兩方面的問題都有所體現(xiàn)，所有的事件驅(qū)動和時間驅(qū)動都體現(xiàn)在設置相應的任務標識和線程標識。從后面的討論中可以看出，當硬件環(huán)境一定時，依據(jù)這些標識，通過安排系統(tǒng)內(nèi)中斷響應方式和調(diào)整任務調(diào)度算法，可以有效解決多任務并行問題，因為系統(tǒng)的實時性主要取決于這兩點。
2 多任務多線程機制的實現(xiàn)
我們設計的對象是雙通道和四通道測試的某型醫(yī)用檢驗設備。每個通道可以置入樣本，設置不同的測試項目，完成測試后輸出不同的測試結(jié)果和附加的計算結(jié)果。
常規(guī)的處理方法是這樣的：和通道只能測試同一個項目，按統(tǒng)一步驟同步執(zhí)行各任務的相同階段，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，例如不能同時測量不項目，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，浪費時間，因為要等每個階段最慢的一個處理完才能進入下一階段。這其實是單任務的多次簡單重復，設計也容易。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計，即要求所有通道可以完全獨立工作；任意啟動和停止；彼此沒有約速；時間上可以任意重疊；是幾個獨立的任務，如圖2。
這里我們把每一個啟動通道進行測試的程序叫做一個任務，把各自任務下的每一個單獨的、分開處理的程序段叫做一個線程，每個線程依靠自己的標識來識別。一個通道的測試任務可分為啟動、設置、加樣品、預溫計時、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線程。另外，有一個溫度的實時監(jiān)控獨立線程，它的優(yōu)先級要次于通道的測試采樣。
圖3 前臺控制流程1----void Xlnt0() interrupt0
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，例如兩路溫度的實時監(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等；后臺主要是掃描方式下響應操作員的按鍵請求、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、打印報告等內(nèi)容。
整個實現(xiàn)機制可以簡單地概括如下：前臺通過合理安排中斷的響應和服務方式來對多個任務的實時線程進行處理；后臺操作主要以循環(huán)方式掃描各個任務的線程標識，滿足條件的線程被激活予以處理。
限于篇幅，不可能詳細介紹整個設計方案，在此只能給出各測試通道工作任務的前臺和后臺線程劃分及流程，供參考。然后，給出一個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。實時任務中，中斷服務結(jié)束后不是返回到斷點地址執(zhí)行原有程序，而是強制返回到某一地址執(zhí)行新程序的情況非常普遍。我們采用設置環(huán)境變量的方法，使中斷退出后可以任意返回到多個設置入口中的某一個去執(zhí)行，有效地解決了前臺和后臺任務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是主定時器中斷服務，12C887提供中斷請求信號至int0。12C887的三個中斷觸發(fā)服務中，溫度掃描是獨立線程，四次500ms“周期中斷”（即每2s）后執(zhí)行一遍；需要屏幕顯示預溫侄計時的時候使用“更新中斷”，每秒一次，各測試任務，其倒計時線程依靠各自的標識啟動和停止；“報警中斷”需要時設置為每分鐘1次，用于主菜單界面顯示當前時間和長定時的返回。
圖4是CPU內(nèi)部定時器0的中斷服務，用于A/D轉(zhuǎn)換。每個測試任務的A/D分為兩個線程：檢測試劑加入和測試劑樣品的反應曲線，雖然都是通過對光學傳感器和輸出進行檢測的，但處理方法完全不同，數(shù)據(jù)量也很不一樣。定時器0設定為每100ms中斷1次，因為要用高精度∑-Δ轉(zhuǎn)換器件，CPU必須直接控制器件的整個轉(zhuǎn)換過程，所以，要注意所有通道輪掃一遍A/D的時間不能超過100ms。
圖5為后臺流程。后臺程序依靠通道按鍵啟動一個測試任務，然后進行該任務預處理，類似初始化的一些功能。如果這期間又啟動別的任務，則未初始化完的先前任務中止。
圖4 前臺控制流程2----void time0() interrupt 1
初始化完成后進入多任務所屬線程的循環(huán)處理階段，其間可以隨時由通道按鍵引起的中斷來加入新的任務，每個線程的調(diào)度標識可以由相關(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()從中斷強制返回某地此后，使用跳轉(zhuǎn)語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，每個變量由三項組成，env1是二維下標參數(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;
/*下面保存進入中斷程序時的壓棧值*/
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];
/*恢復中斷開始時的那些壓棧值*/
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、線程和標識的細節(jié)，僅提出一種單片機等嵌入式控制系統(tǒng)對多任務進行實時處理的一種思想；借鑒于主流操作系統(tǒng)中的多任務和多線程機制。實踐證明，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)是對多個相同的任務進行并行處理，但該種設計方法應該可以推廣到多種不同性質(zhì)的實時任務的并行處理當中去。
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