單片機系統(tǒng)中的多任務(wù)多線程機制的實現(xiàn)

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(wù)操作系統(tǒng)（）的設(shè)計。我們討論的是，在不使用的控制系統(tǒng)中，如何體現(xiàn)多任務(wù)多線程機制的程序設(shè)計思想。

一些嵌入式設(shè)備可以需要操作系統(tǒng)，例如掌上電腦、、網(wǎng)絡(luò)控制器等高性能的手持設(shè)備和移動設(shè)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(fù)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)，有一個可靠性很高的實時內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、器等資源都包括起來，留給用戶一個標準的應(yīng)用程序接口（API）；根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)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(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)等功能，部分高檔商業(yè)化產(chǎn)品，如WindowsXPEmbedded，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(wù)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，往往是按照某一流程執(zhí)行單一任務(wù)。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(wù)操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理。但是在實際應(yīng)用中，有時也會面臨同時處理多個并行任務(wù)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(shè)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(wù)對應(yīng)，把任務(wù)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(wù)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(shè)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(wù)，任務(wù)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(yīng)操作員請求等任務(wù)，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(wù)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(dǎo)致另一任務(wù)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(wù)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(yù)測的，由外部事件驅(qū)動的任務(wù)一般是需要立即執(zhí)行的任務(wù)，它的優(yōu)先級最高。絕對時間驅(qū)動是指在某指刻執(zhí)行的任務(wù)，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(wù)，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(wù)外，還有一些同步任務(wù)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(shè)定的。相對時間可用計算機內(nèi)部時鐘或軟件計時。

我們在實時設(shè)計當(dāng)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(shè)置相應(yīng)的任務(wù)標識和線程標識。從后面的討論中可以看出，當(dāng)硬件環(huán)境一，依據(jù)這些標識，通過安排系統(tǒng)內(nèi)中斷響應(yīng)方式和調(diào)整任務(wù)調(diào)度算法，可以有效解決多任務(wù)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(wù)多線程機制的實現(xiàn)

我們設(shè)計的對象是雙通道和四通道測試的某型醫(yī)用檢驗設(shè)備。每個通道可以置入樣本，設(shè)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(wù)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(wù)的多次簡單重復(fù)，設(shè)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(shè)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(wù)，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(wù)，把各自任務(wù)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(wù)可分為啟動、設(shè)置、加樣品、預(yù)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。

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、每內(nèi)的各通道循環(huán)檢測一遍、采用中斷方式的鍵盤干預(yù)等；后臺主要是掃描方式下響應(yīng)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(yīng)和服務(wù)方式來對多個任務(wù)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(wù)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(shè)計方案，在此只能給出各測試通道工作任務(wù)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(wù)中，中斷服務(wù)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(shè)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(shè)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(wù)線程的靈活切換這一關(guān)鍵問題。我們使用的CPU是，編程語言為KeilC516.0版。

圖3是主定時器中斷服務(wù)，提供中斷請求信號至int0。的三個中斷觸發(fā)服務(wù)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(yù)溫侄計時的時候使用“更新中斷”，每秒一次，各測試任務(wù)，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(shè)置為每分鐘1次，用于主菜單界面顯示當(dāng)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(wù)，用于A/D轉(zhuǎn)換。每個測試任務(wù)的A/D分為兩個線程：檢測試劑加入和測試劑樣品的反應(yīng)曲線，雖然都是通過對光學(xué)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(shè)定為每中斷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。

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(wù)，然后進行該任務(wù)預(yù)處理，類似初始化的一些功能。如果這期間又啟動別的任務(wù)，則未初始化完的先前任務(wù)中止。

初始化完成后進入多任務(wù)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(wù)，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(dāng)前地址信息到環(huán)境變量JMPEnv[][]中，每個變量由三項組成，是二維下標參數(shù)*/

voidgetadd(unsignedchar)

{unsignedchartemp;

temp=SP;

JMPEnv[env1][0]=(*((unsignedcharidata*)SP));

temp--;

JMPEnv[env1][1]=(*((unsignedcharidata*)temp));

JMPEnv[env1][2]=；

}

/*置中斷返回的任意跳轉(zhuǎn)地址*/

voidputadd(unsignedcharenv1)reentrant

{unsignedchartemp[15];chari;

/*下面保存進入中斷程序時的壓棧值*/

for(i=0,i<15;i++)

{temp[i]=(*((unsignedcharidata*)SP));

SP--;

}

/*放置新地址*/

SP=JMPEnv[env1][2];SP++；

（*（（unsignedcharidata*）SP）=JMPEnv[env1][1];SP++；

（*（（unsignedcharidata*）SP））=JMPEnv[env1][0];

/*恢復(fù)中斷開始時的那些壓棧值*/

for(i=14;i>=0;i--)

{SP++;

(*((unsignedcharidata*)SP))=temp[i];

}

}

結(jié)語

限于篇幅，不可能詳述任務(wù)、線程和標識的細節(jié)，僅提出一種等嵌入式控制系統(tǒng)對多任務(wù)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(wù)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(wù)進行并行處理，但該種設(shè)計方法應(yīng)該可以推廣到多種不同性質(zhì)的實時任務(wù)的并行處理當(dāng)中去。