單片機實現多任務操作
2002年初，筆者著手寫一個IC卡預付費電錶的工作程序，該電錶使用Philips公司的8位51擴展型單片機87LPC764，要求實現很多功能，包括熄顯示、負荷計算與控制、指示閃爍以及電錶各種參數的查詢等，總之，要使用時間的單元很多。筆者當時使用ASM51完成了這個程序的編寫，完成後的程序量是2KB多一點。後來，由於種種原因，這個程序並沒有真正使用，只是作了一些改動之後用在一個老化設備上進行計時與負荷計算。約一年後，筆者又重新改寫了這些代碼。
1 系統的改進 可以說，這個用ASM51實現的代碼是沒有什麼組織性可言的，要什麼功能就加入什麼功能，弄得程序的結構非常鬆散，其實這也是導致筆者最終決定重新改寫這些代碼的原因。 大家知道，87LPC764有4KB的Flash ROM，而筆者的程序量只有2KB多點，因而第一個想法是改用C語言作為主要的開發語言，應該不至於導致代碼空間不夠用。其次，考慮到需要定時功能的模塊(或稱任務，以下統稱任務)較多，有必要對這些任務進行有序的管理。筆者考慮使用時間片輪詢方式，即給每個要求時間管理的任務以一個時間間隔，時間間隔一到，即運行其代碼，達到合理使用系統定時器資源的目的。就51系統而言，一般至少一個定時器可用來進行時間片的輪詢。基於以上的想法，構造了下述數據類型。typedef unsigned char uInt8
typedef struct {
void (*proc)( void ); /* 處理程序 */
uInt8 ms_count; /* 時間片大小 */
} _op_;
數據結構定義好之後，接著就是實現代碼，包括三部分，即初始化數據、時間片的刷新與時間到執行。
初始化數據。#define proc_cnt 0x08 //定義過程或任務數量 //任務棧初始化code _op_ Op[proc_cnt] = { { ic_check 10 } { disp_loop 100 }
{ calc_power 150 } { set_led 2 } … };
//設置時間片初始值data uInt8 time_val[proc_cnt]={10，100，150，2，…};時間片刷新。void time_int1( void ) interrupt 3
{
uInt8 cnt;
Time_Counter: = Time_Unit;
for ( cnt = 0; cnt < proc_cnt; cnt++ )
{
time_val[cnt]--;
}
}
任務的執行。
void main( void )
{
uInt8 cnt;
init(); /*程序初始化 */
interrupt_on(); /* 打開中斷 */
do
{
for ( cnt = 0; cnt < proc_cnt; cnt++ )
{
if ( !time_val[cnt] )
{
time_val[cnt] = Op[cnt].ms_count;
Op[cnt].proc();
}
}
}
while ( 1 );
}
在上面的結構定義中，proc是不能帶參數的，各任務之間的通信可以定義一個參數內存塊，通過一種機制進行數據信息交互，如定義一個全局變數。對於小容量單片機系統而言，需要這樣做的任務並不多，總任務量也不會太多，因而這種協調並不太難處理。也許大家都有這樣的認識，即一個實時系統中，差不多所有的具體任務都是有時間屬性的，即使是不需要定時的過程或任務，也不見得要時時進行查詢與刷新。如IC卡介質檢測，保證每秒一次就足夠了。因而，這些任務也可以列入到這個結構中來。
在以上的程序代碼中，考慮到單片機系統的RAM限制，不能像一些實時OS那樣將任務棧建立在RAM中。筆者將任務棧建立在代碼空間，因而不能在程序運行時動態地加入任務，因此要求在程序編譯時，任務棧已經確定。同時，定義一組計數值旗標time_val，記錄程序運行時的時間量，並在一個定時器中斷中對其進行刷新。改變時間片刷新中斷過程語句Time_Counter:=Time_Unit;中的Time_Unit，可以改變系統時間片的刷新粒度，一般這個值由系統的最小時間度量值確定。 同時，由任務的執行流程可知，此種系統構造並沒有改變其前/後臺系統的性質，只是對後臺邏輯操作序列進行了有效管理。同時，如果將任務執行流程進行一些更改，並保證時間片小的任務前置，如下述程序。do
{
for ( cnt = 0; cnt < proc_cnt; cnt++ )
{
if ( !time_val[cnt] )
{
time_val[cnt] = Op[cnt].ms_count;
Op[cnt].proc();
break; /* 執行完成後，重新進行優先調度 */
}
}
}
while ( 1 );
則系統變為一個以執行頻率為優先順序的任務調度系統。當然，設置此種方式得非常小心，並要注意時間片的分配，如果時間片過小，則可能導致執行頻率較低的任務難以被執行；而如果存在兩個同樣的時間片，則更加危險，可能導致第二個具有相同時間片的任務不被執行，因而，時間片的分配要合理，並保證其唯一性。2 性能分析與任務拆分以上兩種任務管理方式，前一種按任務棧的順序與時間片的大小依次進行調度，暫且稱其為流水作業調度；而後一種，且稱其為頻率優先調度。兩種方式各有優缺點。流水作業調度的各任務具有等同優先順序，時間片一到即會被按序調用，時間片大小的次序與唯一性不作要求；缺點是可能導致時間片小的，即要求執行得較快的任務等待過長的時間。頻率優先調度的各任務按其時間片的大小，即執行頻率劃分優先順序，時間片小的任務，其執行頻率高，總是具有較高的優先權，但時間片的分配得協調，否則可能會導致執行頻率低的任務長時間等待。
要特別注意的是，兩種方式都有可能導致一些任務長時間等待，時間片所設定的時間也因此不能作為精確時間的依據，根據系統的要求或需要，甚至要在任務執行過程中進行某些保護工作，如中斷屏蔽等，因而在進行任務規劃時要注意。如果一個任務較繁瑣或可能要等待很長時間，則應當考慮任務的拆分，把一個較大的任務細化為較小的任務，把一個費時長的任務劃分為多個費時小的任務，協同完成其功能。如在等待時間長的情況下，可附加一個定時任務，定時任務到則發送一個消息旗標，主過程沒有檢測到消息旗標就馬上返回，否則繼續執行。下面是示例代碼，假定該任務將等待很長時間，現將其拆分為兩個任務proc1與proc2協同完成原來的工作，proc1每100個時間單位執行一次，而proc2每200個時間單位執行一次。/* 定義兩個任務，並將其加入到任務棧中。 */
code _op_ Op[proc_cnt] = { …{ proc1 100 } { proc2 200 } };
data int time1_Seg; /* 定義一個全局旗標 */
/* 任務實現 */
void proc1( void )
{
if ( time1_Seg )
exit;
else
time1_Seg = const_Time1; /* 如果時間到了，則恢復初值並 */
/* 接著執行下列代碼。 */
… /* 任務實際執行代碼 */
}
void proc2( void )
{
if ( time1_Seg )
time1_Seg--;
}
由上例可以看出，任務拆分後，幾乎不佔過多的CPU時間，使得任務的等待時間大減，讓CPU有足夠的時間進行任務管理與調度。同時也讓程序的結構性與可讀性大為加強。結 語智能交通沙盤_物聯網-創客學院
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