單片機系統中的多任務多線程機制的實現

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作者：冉全章滌峰時間：2007-08-30 來源：單片機及嵌入式系統應用

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

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（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，例如掌上電腦、PDA、網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、互聯網訪問和多媒體處理等復雜而強大的功能聯系在一起；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，RTOS有一個可靠性很高的實時內核，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）；根據各個任務的優先級，合理地在不同任務之間分配CPU的時間，保證程序執行的實時性、可靠性。內核一般都能提供任務調度和中斷服務等功能，部分高檔商業化產品，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中不多見的動態鏈接庫（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行單一任務。出于成本和技術上的原因，這類軟件開發多數還是基于處理器直接編寫，沒有選配實時多任務操作系統作為開發平臺，也不需要將系統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，且均未結束。

　　②從微機上看，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。

　　其實質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，把一道程序和一個任務對應，把任務中的每個分開的、獨立執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性和實時性，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作業的分配辦法。前臺作業中包含實時采集、控制、處理有關的任務，任務優先級較高；后臺作業一般是對數據進行分析、輸出數據、響應操作員請求等任務，優先級較低。后臺作業中與后臺作業并非完全孤立的；后臺作業所需數據由前臺作業存儲共享內存區內，作業之間通過共享存儲區進行數據交換。

　　另一方面，實時任務總是由某個事件發生或時間條件滿足來激活。事件有兩種：內部事件和外部事件。時間驅動也有兩種：按絕對時間驅動和按相對時間驅動。內部事件驅動是指某一程序運行的結果導致另一任務的啟動，這個結果可能是數據滿足一定條件，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動的。在實時系統中，外部事件發生有時是不可預測的，由外部事件驅動的任務一般是需要立即執行的任務，它的優先級最高。絕對時間驅動是指在某指定時刻執行的任務，也就是在自然時鐘的絕對時間執行。相對時間驅動是指周期性執行的任務，總是相對上一次執行時間計時，執行時間間隔一定。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部時鐘或軟件計時。

我們在實時設計當中，這兩方面的問題都有所體現，所有的事件驅動和時間驅動都體現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，當硬件環境一定時，依據這些標識，通過安排系統內中斷響應方式和調整任務調度算法，可以有效解決多任務并行問題，因為系統的實時性主要取決于這兩點。

2 多任務多線程機制的實現

　　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項目，按統一步驟同步執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。國內很多類似產品采用了這種方案，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、數據處理和作圖打印等多個線程。另外，有一個溫度的實時監控獨立線程，它的優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，例如兩路溫度的實時監控、每100ms內的各通道循環檢測一遍、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、數據處理、圖形顯示、打印報告等內容。

　　整個實現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，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳轉函數的使用要方便很多。實時任務中，中斷服務結束后不是返回到斷點地址執行原有程序，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行，有效地解決了前臺和后臺任務線程的靈活切換這一關鍵問題。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的三個中斷觸發服務中，溫度掃描是獨立線程，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內部定時器0的中斷服務，用于A/D轉換。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，數據量也很不一樣。定時器0設定為每100ms中斷1次，因為要用高精度∑-Δ轉換器件，CPU必須直接控制器件的整個轉換過程，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。