單片機(jī)多任務(wù)的時間片方式實(shí)現(xiàn)

引言
    由于單片機(jī)具有價格低、運(yùn)行要求低、易于開發(fā)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。但是，單片機(jī)的位數(shù)少、頻率低、內(nèi)存小、I／O口少等缺點(diǎn)限制了其加載操作系統(tǒng)的可能。因此，單片機(jī)不能像ARM等較高性能的處理器一樣，利用加載的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等功能。
    但是，我們可以根據(jù)單片機(jī)所擁有的內(nèi)存大小、CPU頻率等因素，來為單片機(jī)量身定做一個小型的操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的多任務(wù)運(yùn)行。

1 微機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的方式
    微機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的方式一般是由加載的操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。通過操作系統(tǒng)提供的函數(shù)來創(chuàng)建多進(jìn)程或者多線程來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)方式。由于多進(jìn)程耗費(fèi)的資源多，而多線程的開銷相對小的多，因此我們采用單片機(jī)模仿多線程的方式來實(shí)現(xiàn)。
    操作系統(tǒng)創(chuàng)建多個線程后，將管理各個線程占用CPU的時間。操作系統(tǒng)以輪換方式向線程提供CPU時間片，從而使多個線程看起來是同時運(yùn)行的，而不是等待一個線程執(zhí)行結(jié)束后再去執(zhí)行下一個線程。
    PC(Program Counter，程序計(jì)數(shù)器)是用于存放下一條指令地址的地方。某個線程正在占用CPU時間，其實(shí)是PC值指向該線程所占的內(nèi)存，并正在逐條取到CPU寄存器中進(jìn)行運(yùn)算。該時間片結(jié)束后，PC值要指向下一個線程所占用的內(nèi)存中，進(jìn)行類似的運(yùn)算。其他線程都輪流一遍后，將又回到原來那個線程暫停的位置繼續(xù)運(yùn)算。所以，從一個線程轉(zhuǎn)換到另外一個線程去執(zhí)行時，要保存此線程的“現(xiàn)場”，包括此線程下一條指令的位置(PC值)、此線程所使用的各個寄存器值等。當(dāng)此線程又擁有CPU時間時，將保存的PC值賦給PC寄存器，保存的各個寄存器值再賦給各個寄存器。
    除了保存“現(xiàn)場”與恢復(fù)“現(xiàn)場”外，另外關(guān)鍵的一點(diǎn)是，操作系統(tǒng)能夠改變PC值——強(qiáng)制把使用CPU的權(quán)限從一個任務(wù)切換到另一個任務(wù)，這就用到了中斷。微機(jī)是用操作系統(tǒng)來管理中斷的，用戶只能間接使用中斷。

2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的思路
    由上面的介紹，我們知道微機(jī)中多線程輪流占用CPU時間，關(guān)鍵點(diǎn)在于：
    ①保存“現(xiàn)場”與恢復(fù)“現(xiàn)場”，即保存和恢復(fù)下一條指令的位置和通用寄存器的值。
    ②能夠改變PC值，從而可以在多個線程中進(jìn)行切換，以便同時運(yùn)行。
    在51系列單片機(jī)中，如何實(shí)現(xiàn)上面的兩個關(guān)鍵點(diǎn)呢?
    (1)保存此“現(xiàn)場”，恢復(fù)另一“現(xiàn)場”
    給每個任務(wù)開辟一個堆棧，各個任務(wù)的堆棧不能交叉。各個任務(wù)的對應(yīng)堆棧用于實(shí)現(xiàn)以下功能：
    ①保存“現(xiàn)場”，在PC離開此任務(wù)前保存該任務(wù)所用到的通用寄存器值(寄存器A、B、Rn和位寄存器C等)。
    ②恢復(fù)“現(xiàn)場”，先獲得下一個任務(wù)的堆棧地址，然后取出堆棧中所保存的通用寄存器值；
    ③在調(diào)用子函數(shù)時，用以保存下一條指令的地址。
    (2)每隔一段時間片，改變PC值幾乎所有的處理器指令中，沒有可以直接改變PC值的指令，但是系統(tǒng)發(fā)生中斷時可以改變PC值，中斷流程如圖1所示。

    由圖1可以看出，在倒數(shù)第二個步驟中，單片機(jī)會把棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)彈出給PC，由此來改變PC值，進(jìn)而來改變程序的執(zhí)行流程。所以，我們可以在出棧彈出字節(jié)給PC前改變棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)的內(nèi)容，進(jìn)而主動改變PC值。
    有了主動改變PC值的能力，我們就可以將這個中斷設(shè)為定時器中斷，每隔一段時間來切換PC值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行。

3 具體實(shí)現(xiàn)代碼及注意事項(xiàng)
3．1 進(jìn)入主循環(huán)前的工作
    根據(jù)上面的思路和技巧，進(jìn)入主循環(huán)前的工作流程如圖2所示。

    圖2為進(jìn)入主循環(huán)前的初始化工作。假定有3個任務(wù)，3個任務(wù)分別為Task1、Task2、Task3(這3個任務(wù)都應(yīng)是死循環(huán))，如果開設(shè)每個堆棧大小為16字節(jié)，3個任務(wù)對應(yīng)的堆棧范圍為40H～4FH、50H～5FH、60H～6FH，則初始各個任務(wù)地址到對應(yīng)堆棧如下：
   
    sp1、sp2、sp3為定義的3個全局變量，用以存儲各個任務(wù)的棧頂?shù)刂贰?br />     初始化定時器后，要進(jìn)入某個任務(wù)的死循環(huán)當(dāng)中。假設(shè)我們要進(jìn)入任務(wù)1中，則如下所示：
   
    TaskIndex為全局變量，用以存儲當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)序號；難點(diǎn)在于ret的妙用。ret一般用于子函數(shù)的最后一條，以回到調(diào)用函數(shù)前下一條指令的地址。ret的實(shí)質(zhì)是取出此時堆棧中棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)賦給PC寄存器，以返回調(diào)用函數(shù)前的位置。所以，上述代碼是先把任務(wù)1的地址放進(jìn)堆棧中，然后調(diào)用ret來取出地址給PC，以重新跳到任務(wù)1中去執(zhí)行。
3．2 多任務(wù)切換的主循環(huán)
    進(jìn)入某個任務(wù)進(jìn)行死循環(huán)后，程序的主循環(huán)流程如圖3所示。當(dāng)程序進(jìn)入到某個任務(wù)進(jìn)行死循環(huán)時，如上面的任務(wù)i，定時器中斷周期發(fā)生，發(fā)生時意味著該任務(wù)的時間片結(jié)束，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個任務(wù)。這些準(zhǔn)備工作是在中斷里做的，如圖3所示。首先，應(yīng)保存此時用到的各個寄存器值，以便下次輪到該任務(wù)時取出繼續(xù)執(zhí)行，還要保存棧頂?shù)奈恢?，以便下次能取出所保存的值；然后通過全局變量TaskIndex取得下一個任務(wù)的序號，通過任務(wù)序號，得到下一個任務(wù)的堆棧棧頂?shù)牡刂罚x給棧頂寄存器SP；然后通過SP取出保存的各個通用寄存器值；最后，重設(shè)定時器值，使中斷能夠再次進(jìn)行任務(wù)切換。

    這里重要的是整個思路，沒有比較難的代碼，故沒有貼出代碼。值得提醒的是，保存通用寄存器值時，并不需要保存所有的通用寄存器值，只需要保存任務(wù)中用到的就可以。這里解釋前面程序中提及的45H、55H、65H：各個任務(wù)堆棧的開始處存儲各個任務(wù)的地址，然后再把要保護(hù)的寄存器值入棧，棧頂抬高；而要恢復(fù)下一個任務(wù)時，需將上次保護(hù)寄存器后的棧頂值賦給SP寄存器，然后逐個出棧賦值給各個寄存器值，直到棧底處存儲的上次任務(wù)暫停處的地址。因?yàn)楸疚牡尿?yàn)證程序只保護(hù)了A、B、R0、R2 4個寄存器值，堆棧剛好到達(dá)45H、55H、65H。

總結(jié)
    單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的另一種常用方式是把任務(wù)切成小片，然后放在主循環(huán)里。這樣，每個循環(huán)執(zhí)行一次各個任務(wù)的一小片，從而看起來所有的任務(wù)都同時進(jìn)行。切片的思想是把一個任務(wù)細(xì)分成多個步驟，而每次只執(zhí)行其中一小步。如多段數(shù)碼管的顯示可以每次只顯示一段，這是更常用的方式，但并不是每個任務(wù)都可以切片的。
    本文所講的這種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)多任務(wù)的方式要求程序員要有比較好的匯編基礎(chǔ)，要求對中斷的實(shí)現(xiàn)過程比較熟悉，對ret指令的實(shí)質(zhì)要理解，能夠根據(jù)任務(wù)來分配堆棧，對操作系統(tǒng)管理CPU時間片有大致理解，因此要求比較高。另一方面，時間片定多少需要程序員根據(jù)任務(wù)的不同來選擇，需要測試多次來達(dá)到性能的最優(yōu)化。