適應(yīng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的微控制器高效指令支持

摘要：開(kāi)發(fā)高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)微控制器系統(tǒng)，除了采用高速器件之外，適當(dāng)?shù)?strong>指令支持能簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，減少程序代碼，增強(qiáng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。本文提出了一些適應(yīng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的微控制器高效指令功能設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：微控制器 實(shí)時(shí)多任務(wù) 指令 微控制器系統(tǒng)即國(guó)內(nèi)通常所稱的單片機(jī)系統(tǒng)，主要用于物理設(shè)備的接口和直接控制。雖然控制邏輯相對(duì)微處理機(jī)系統(tǒng)而言比較簡(jiǎn)單，但由于多數(shù)情況下需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且經(jīng)常要同時(shí)處理多個(gè)對(duì)象的協(xié)同工作，因此，不僅對(duì)程序的運(yùn)行效率有較高的要求，還要求微控制器具備較強(qiáng)的多任務(wù)處理能力。另一方面，由于量大面廣，以及具體應(yīng)用條件的限制，希望微控制器的成本要低;而這又只有在微控制器的硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的前提下才能實(shí)現(xiàn)，這就限制了微控制器的指令、程序代碼空間以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。在這樣的局面中，想要實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行效率，就只有加強(qiáng)微控制器指令的功能和靈活性。 至今，絕大多數(shù)微控制器程序的編制仍使用匯編語(yǔ)言，其優(yōu)缺點(diǎn)已眾所周知。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，器件的性能價(jià)格比顯著提高，各種面向嵌入式應(yīng)用的微控制器系統(tǒng)模塊向商品化發(fā)展。微控制器系統(tǒng)的成本中，軟件比例不斷增加，使用高級(jí)語(yǔ)言編制微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的軟件是必然的趨勢(shì);而且微控制器中能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)行和邏輯運(yùn)算的運(yùn)算器結(jié)構(gòu)、可以直接與數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)并進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算的單元個(gè)數(shù)、間址訪問(wèn)的能力等因素，將直接影響高級(jí)語(yǔ)言生成機(jī)器代碼的難易程度。為完成某一運(yùn)算，不能只計(jì)算運(yùn)算本身所需的時(shí)間，還要考慮建立本處理環(huán)境所需的時(shí)間、取運(yùn)算對(duì)象與保存運(yùn)算結(jié)果的輔助操作時(shí)間、以及所占用的指令空間。簡(jiǎn)言之，要考慮所有影響6代碼效率和運(yùn)行效率的因素。 轉(zhuǎn)移控制指令是直接影響程序運(yùn)行的，但其前提是狀態(tài)檢測(cè)或者關(guān)系運(yùn)算的結(jié)果;而狀態(tài)檢測(cè)需要位尋址能力的支持，關(guān)系運(yùn)算又必須訪問(wèn)兩個(gè)對(duì)象，所以，位尋址能力、數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力、數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式都與程序的運(yùn)行效率有關(guān)。根據(jù)作者多年編制實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的體會(huì)，針對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用，就高效率的微控制器數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力、方式與轉(zhuǎn)移控制指令設(shè)計(jì)而言，應(yīng)具備以下四方面性能。 1.指令的關(guān)系運(yùn)算能力 關(guān)系運(yùn)算是控制程序轉(zhuǎn)移的前提，其運(yùn)算能力由兩個(gè)方面組成：一是運(yùn)算功能;二是運(yùn)算單元數(shù)目。 在8位機(jī)系統(tǒng)中，運(yùn)算功能一般都支持無(wú)符號(hào)的大于、小于、等于、不等于比較;在16位機(jī)系統(tǒng)中，還應(yīng)支持有符號(hào)的比較，并且要求有多個(gè)運(yùn)算單元都支持關(guān)系運(yùn)算。如果常用的一些功能單元個(gè)數(shù)較少，則當(dāng)進(jìn)程切換時(shí)，要花費(fèi)時(shí)間置換資源。假如微控制器中只有一個(gè)寄存器能進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算，必須經(jīng)常進(jìn)行中間結(jié)果的換位存取。這些額外操作的代價(jià)是指令數(shù)目與運(yùn)行時(shí)間的增加，那將極大地影響程序運(yùn)行效率。例如，要根據(jù)兩個(gè)關(guān)系運(yùn)算的結(jié)果決定處理策略，首先，要將第一次關(guān)系運(yùn)算的邏輯結(jié)果保存起來(lái)，可能還需要保留運(yùn)算后的數(shù)據(jù)結(jié)果，再裝入第二次需要的運(yùn)算對(duì)象。其最小代價(jià)是多中用一條指令的存儲(chǔ)空間和一次裝入所需的運(yùn)算時(shí)間，而且沒(méi)有任何的額外收益。此外，多任務(wù)運(yùn)行時(shí)將頻繁產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，必須騰出運(yùn)算器，又要多占用一個(gè)堆棧空間來(lái)保存斷中數(shù)據(jù)，以及一次進(jìn)棧、一次出棧的兩條指令的存儲(chǔ)空間和運(yùn)行時(shí)間。這些都是在微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的寶貴資源，因此，這樣的微控制器是不適應(yīng)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的?，F(xiàn)在，許多微控制器都采用寄存器組的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)寄存器都可支持關(guān)系運(yùn)算和簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算功能，便于實(shí)現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言中“局部變量”的特性。其主要優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)器的利用率高，數(shù)據(jù)完全性好。這就大大緩解了運(yùn)算能力的瓶頸。 2.指令的數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力 (1)運(yùn)算對(duì)象的訪問(wèn)方式 指令對(duì)運(yùn)算對(duì)象的訪問(wèn)方式非常重要。如果同類資源只能使用特定名稱區(qū)分訪問(wèn)。則處理多進(jìn)程時(shí)，功能相似的程序段必須書(shū)寫(xiě)不同的代碼段。代碼重用性差，這就增加了總代碼長(zhǎng)度。所以，間址訪問(wèn)非常重要，它可以用同樣的程序處理不同的對(duì)象，在多任務(wù)處理環(huán)境中能顯著提高系統(tǒng)效益。 位信息是二進(jìn)制中最基本的數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)中，經(jīng)常需要檢測(cè)位信息，例如進(jìn)程的標(biāo)識(shí)、外設(shè)的狀態(tài)等。在多任務(wù)系統(tǒng)中，各進(jìn)程將占用不同物理地址的系統(tǒng)資源。這時(shí)，指令能否支持間址的位訪問(wèn)，就大大影響進(jìn)程之間的切換。如果不支持間址的位訪問(wèn)，假設(shè)有8位信息點(diǎn)，則必須編寫(xiě)8句直接位檢測(cè)的語(yǔ)句來(lái)判別，增加了代碼的長(zhǎng)度;如果各進(jìn)程要使用同一個(gè)代碼段，必須為各進(jìn)程置換重用的資源，浪費(fèi)時(shí)間;而如果各進(jìn)程使用不同的資源，則必須書(shū)寫(xiě)代碼功能相同、僅僅資源不同的代碼?，F(xiàn)在常用的微控制器，位間接尋址能力都比較差，編寫(xiě)程序費(fèi)時(shí)費(fèi)力，代碼冗長(zhǎng)，修改困難。 對(duì)于字節(jié)數(shù)據(jù)，要求提供既可對(duì)數(shù)據(jù)代碼區(qū)，又可對(duì)程序代碼區(qū)的間址訪問(wèn)支持。當(dāng)前常見(jiàn)的微控制器，雖然也提供對(duì)程序代碼區(qū)的間址訪問(wèn)支持，但限于查表操作。應(yīng)用程序要訪問(wèn)存放于數(shù)據(jù)內(nèi)的常數(shù)，必須先調(diào)用查表程序獲取對(duì)象，再將它放入某個(gè)工作單元，然后才能開(kāi)始處理。如果能通過(guò)間址直接訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)表，則節(jié)省了時(shí)間與空間的開(kāi)銷。 (2)數(shù)據(jù)描述能力 隨著人工智能、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，參與關(guān)系運(yùn)算的兩個(gè)對(duì)象經(jīng)常都是變量，微控制器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮這一因素。 關(guān)系運(yùn)算的兩個(gè)對(duì)象，應(yīng)該支持運(yùn)算器與立即數(shù)、寄存器、直接尋址或者間接尋址對(duì)象的關(guān)系運(yùn)算;而間接尋址對(duì)象可以放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，也可以在程序存儲(chǔ)區(qū)中?？紤]到數(shù)組、隊(duì)列的運(yùn)算需要，比較理想的是間址寄存器支持指定次數(shù)循環(huán)或者支持循環(huán)隊(duì)列操作。 相對(duì)尋址能力;采用一個(gè)基指針，再與間址寄存器疊加形成訪問(wèn)地址。既可訪問(wèn)程序代碼空間。便于查表操作，用空間資源換取時(shí)間，提高非線性運(yùn)算的處理速度;又可訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，便于計(jì)算機(jī)輔助開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序生成運(yùn)行代碼中數(shù)據(jù)間址訪問(wèn)。 3.原子操作指令支持 同步與互斥是多進(jìn)程必須處理的問(wèn)題。多進(jìn)程搶占系統(tǒng)資源時(shí)，要先判斷系統(tǒng)資源使用標(biāo)識(shí)。一般用一個(gè)位標(biāo)識(shí)，是空閑則占用。這是一種互斥行為，一旦資源被占用，其它進(jìn)程不得使用。為了避免一個(gè)進(jìn)程檢測(cè)到系統(tǒng)資源空閑之后，但在未改變標(biāo)識(shí)位之間，另一個(gè)進(jìn)程也檢測(cè)到該資源空閑，必須將檢測(cè)與改變標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)為原子操作。一般，都通過(guò)禁止系統(tǒng)中斷來(lái)解決。在檢測(cè)之前關(guān)閉中斷，檢測(cè)之后再開(kāi)啟中斷。如果指令提供對(duì)標(biāo)志位以及對(duì)標(biāo)識(shí)字節(jié)的原子操作支持，將減少程序并提高效率。 (1)標(biāo)識(shí)位操作指令 要求對(duì)標(biāo)識(shí)位的檢測(cè)、清除標(biāo)識(shí)位以及轉(zhuǎn)移，在一條指令內(nèi)完成。這在有些微控制器中已有指令支持。 (2)適應(yīng)信號(hào)燈操作的指令 多進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常用到信號(hào)燈技術(shù)。為了適應(yīng)PV操作等同步與互斥操作，微控制器應(yīng)提供減一等于某值轉(zhuǎn)移，以及增一等于某值轉(zhuǎn)移這樣的指令支持。這樣就可免去信號(hào)監(jiān)測(cè)前后的關(guān)閉、開(kāi)啟中斷操作，而僅在需要保護(hù)臨界區(qū)時(shí)才關(guān)閉中斷。禁止中斷的時(shí)間減少了，相當(dāng)于系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)事件的能力增強(qiáng)。除了支持與常數(shù)的比較之外，指令還應(yīng)支持與某寄存器或者間址存儲(chǔ)單元的比較，這樣就相當(dāng)靈活。當(dāng)該指令中的比較值取為0時(shí)，就是常用于控制循環(huán)的指令。 4.支持多進(jìn)程切換的指令能力 當(dāng)系統(tǒng)資源不能滿足運(yùn)行需要時(shí)，就要將進(jìn)程掛起，同時(shí)也需要保留斷點(diǎn)信息。從原理上講，凡是進(jìn)程自用的各種信息，都必須保留，進(jìn)程下次由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行時(shí)，要以它們?yōu)橐罁?jù)，經(jīng)過(guò)多次判斷后才能恢復(fù)斷點(diǎn)信息。可見(jiàn)，掛起過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程要無(wú)謂地占用CPU時(shí)間。為解決這一矛盾，應(yīng)設(shè)計(jì)如下指令功能。 (1)帶回下次入口地址的調(diào)用返回指令 程序運(yùn)行到某點(diǎn)，即隱含了條件的滿足。進(jìn)程掛起點(diǎn)的空間位置，隱含著進(jìn)程運(yùn)行的軌跡，即包含了掛起的原因。進(jìn)程再次獲得CPU資源，只要回到該點(diǎn)，再配以新?tīng)顟B(tài)條件，即可迅速恢復(fù)運(yùn)行，而不需要重新再判別歷史條件。因此，微處理器應(yīng)該支持以指針間址存儲(chǔ)單元內(nèi)容(數(shù)據(jù))為轉(zhuǎn)移地址的調(diào)用指令，采用類似推棧指針重置PC指令的方法，用間址訪問(wèn)獲取調(diào)用的入口地址。調(diào)用返回時(shí)，帶回下次的入口地址，仍用該間址指針更新轉(zhuǎn)移地址。 下次的入口地址，實(shí)際上并不需要放在哪個(gè)寄存器中帶回，只要執(zhí)行調(diào)用返回指令時(shí)，將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器中的PC值(它已經(jīng)含有下條指令首地址)送以用間址指針指向的存儲(chǔ)單元即可，這種方法可以在8位機(jī)系統(tǒng)中方便地實(shí)現(xiàn)。它與常規(guī)的調(diào)用返回恢復(fù)調(diào)用點(diǎn)地址的做法不同之處在于先做了一步保存PC值的工作。調(diào)用返回指令有兩種：其一是保存當(dāng)前PC值并返回，下次調(diào)用直接轉(zhuǎn)向指定入口;另一種則不保存當(dāng)前PC值而返回，下次調(diào)用仍舊進(jìn)入原入口。 為支持這種調(diào)用返回機(jī)制，在它之前的語(yǔ)句通常是一條判斷轉(zhuǎn)移指令，當(dāng)不滿足進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行條件就執(zhí)行調(diào)用返回。為提高指令效率，判斷轉(zhuǎn)移指令必須是雙向的：有進(jìn)程轉(zhuǎn)移和無(wú)進(jìn)位轉(zhuǎn)移;零狀態(tài)轉(zhuǎn)移和非零狀態(tài)轉(zhuǎn)移;相等轉(zhuǎn)移和不相等轉(zhuǎn)移;大于轉(zhuǎn)移和小于轉(zhuǎn)移。對(duì)于位操作中的判斷并清除標(biāo)識(shí)位再轉(zhuǎn)移的原子操作指令，則最好再提供判斷并置位標(biāo)識(shí)位再轉(zhuǎn)移指令，以方便使用。 (2)支持可變中斷矢量 實(shí)時(shí)系統(tǒng)普遍采用中斷技術(shù)，許多微控制器采用固定中斷矢量的實(shí)現(xiàn)方法。不同情況下的中斷也只能執(zhí)行相的指令段，而必須要在中斷服務(wù)程序中辨別當(dāng)前狀況，一般，編程者都采用增設(shè)狀態(tài)變量的方法，供下次中斷服務(wù)時(shí)指引處理路徑。本次中斷結(jié)束之間的這部分準(zhǔn)備工作以及下次進(jìn)入中斷時(shí)的尋找路徑，都是無(wú)謂消耗 CPU資源與時(shí)間;而采用可變中斷矢量的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)入中斷服務(wù)之后直接到達(dá)任務(wù)處理點(diǎn)，可避免上述弊端，提高中斷服務(wù)響應(yīng)速度。具體方法類似調(diào)用返回的處理，保存本次中斷處理服務(wù)程序的終止點(diǎn)地址作為新的中斷向量即可。 (3)組合條件對(duì)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)移的控制 對(duì)于16位處理器，還可以提供以當(dāng)前指令為基地址，以寄存器內(nèi)容作為偏移地址的直接跳轉(zhuǎn)或者調(diào)用支持。 進(jìn)程需要處理多因素條件 綜合與抉擇，運(yùn)行時(shí)要探測(cè)信息標(biāo)識(shí)，依據(jù)多個(gè)狀態(tài)變量決定運(yùn)行路徑。設(shè)有n個(gè)信息標(biāo)識(shí)，由它可引導(dǎo)k(k≤2 n)條路徑。采用逐個(gè)辨識(shí)的方法。需n次;而如果將這n個(gè)信息標(biāo)識(shí)作為矢量地址看待，與基地址共同形成物理地址，即可直接轉(zhuǎn)移。當(dāng)k遠(yuǎn)小于2n時(shí)，可采用分段的方法，將n個(gè)信息標(biāo)識(shí)中的一部分用作矢量地址，以減少對(duì)程序存儲(chǔ)器的占用。 (4)便于多進(jìn)程切換的指令能力 上述間址移機(jī)制，不但可以支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的程序控制，也適宜于按時(shí)間片分配進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)分配給該進(jìn)程的時(shí)間用完，進(jìn)入高優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)定時(shí)器中斷。此時(shí)，堆棧頂保存的是被中斷進(jìn)程的斷點(diǎn)地址，只要將其作為該進(jìn)程的下次入口地址保存起來(lái)，并執(zhí)行完該進(jìn)程的斷點(diǎn)保護(hù)工作后，再遞增指針，指向下一進(jìn)程的入口地址，即可在定時(shí)器中斷返回之后，自動(dòng)將下進(jìn)程投入運(yùn)行。 (5)支持循環(huán)任務(wù)隊(duì)列的功能 并發(fā)運(yùn)行的多任務(wù)，數(shù)目會(huì)發(fā)生變化。微控制器應(yīng)提供支持循環(huán)任務(wù)隊(duì)列的指令，例如前面所說(shuō)的指針增減一等于某值轉(zhuǎn)移指令，可實(shí)現(xiàn)任意位置與長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列管理，便于正反雙向遍歷。對(duì)于多任務(wù)處理，各進(jìn)程所需的循環(huán)隊(duì)列長(zhǎng)度會(huì)不同。如果指令格式規(guī)定比較值必須是固定的常數(shù)，則必須為不同的進(jìn)程編寫(xiě)惟有比較值不同而功能完全一樣的代碼段，顯然并合理。較好解決方法是間址寄存器支持訪問(wèn)變量。 (6)二級(jí)指針管理寄存器塊 一些常用的內(nèi)部存儲(chǔ)單元可組成工作組的形式，用二級(jí)指針指明當(dāng)前工作組。在多進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行時(shí)，這種方式可加快數(shù)據(jù)切換等斷點(diǎn)保護(hù)和恢復(fù)工作，并減少指令。 上述指令，在有些微控制器的指令集，已有體現(xiàn)，在此提出，供編制實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者在選用微控制器時(shí)參考。有些指令尚未實(shí)現(xiàn)，出來(lái)供微控制器設(shè)計(jì)者參考。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，這些指令的功能并非難以實(shí)現(xiàn)，只是要在功能與功能、功能與成本之間進(jìn)行權(quán)衡，或許只能在某些高檔的微控制器中才能支持。隨著專用系統(tǒng)概念的增強(qiáng)，適用于實(shí)地多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的微控制器，將使得應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)者更靈活、更迅速地開(kāi)發(fā)出低成本、高性能的產(chǎn)品。