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單片機(jī)系統(tǒng)中的多任務(wù)多線程機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)多情況下不是在嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行的，而是直接基于處理器編寫(xiě)。在多任務(wù)并行執(zhí)行的要求下，可以借鑒操作系統(tǒng)中的任務(wù)和線程機(jī)制，對(duì)資源和處理器合理進(jìn)行調(diào)度。本文以實(shí)例對(duì)此進(jìn)行討論。引言
首先要指出的是一點(diǎn)是，我們不是討論嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）的設(shè)計(jì)。我們討論的是，在不使用RTOS的控制系統(tǒng)中，如何體現(xiàn)多任務(wù)多線程機(jī)制的程序設(shè)計(jì)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、PDA、網(wǎng)絡(luò)控制器等高性能的手持設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備。它們往往和無(wú)線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)和多媒體處理等復(fù)雜而強(qiáng)大的功能聯(lián)系在一起；對(duì)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(gè)完整的操作系統(tǒng)，RTOS有一個(gè)可靠性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包括起來(lái)，留給用戶(hù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口（API）；根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU的時(shí)間，保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)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Windows XP Embedded，甚至支持32位地址空間、虛擬存儲(chǔ)管理、多進(jìn)程以及嵌入式操作系統(tǒng)中不多見(jiàn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）。對(duì)于這些RTOS來(lái)說(shuō)，多任務(wù)實(shí)時(shí)處理不是件困難的事情。
但更多的情況下，用戶(hù)使用的是另一類(lèi)CPU——微控制器，即單片機(jī)，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(lèi)軟件開(kāi)發(fā)多數(shù)還是基于處理器直接編寫(xiě)，沒(méi)有選配實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開(kāi)處理。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)也會(huì)面臨同時(shí)處理多個(gè)并行任務(wù)的要求，這就需要安排一種運(yùn)行機(jī)制，來(lái)模擬RTOS中的處理方法。
1 RTOS中的設(shè)計(jì)思想
單處理機(jī)多道程序系統(tǒng)具有如下特征：
①?gòu)暮暧^上看，幾種程序“同時(shí)運(yùn)行”。即它們先后開(kāi)始了各自的運(yùn)行，且均未結(jié)束。
②從微機(jī)上看，幾道程序“交替執(zhí)行”。對(duì)于單處理機(jī)系統(tǒng)而言，它們只能輪流地占用CPU。
其實(shí)質(zhì)是指幾道程序在處理機(jī)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(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)，把任務(wù)中的每個(gè)分開(kāi)的、獨(dú)立執(zhí)行的部分稱(chēng)之為線程。
具體到RTOS來(lái)說(shuō)，一方面，實(shí)時(shí)操作中的多任務(wù)引起的并發(fā)性和實(shí)時(shí)性，要求操作系統(tǒng)對(duì)資源分配具有更強(qiáng)的控制能力。通常的辦法是采取設(shè)立前臺(tái)與后臺(tái)兩個(gè)作業(yè)的分配辦法。前臺(tái)作業(yè)中包含實(shí)時(shí)采集、控制、處理有關(guān)的任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高；后臺(tái)作業(yè)一般是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、輸出數(shù)據(jù)、響應(yīng)操作員請(qǐng)求等任務(wù)，優(yōu)先級(jí)較低。后臺(tái)作業(yè)中與后臺(tái)作業(yè)并非完全孤立的；后臺(tái)作業(yè)所需數(shù)據(jù)由前臺(tái)作業(yè)存儲(chǔ)共享內(nèi)存區(qū)內(nèi)，作業(yè)之間通過(guò)共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
另一方面，實(shí)時(shí)任務(wù)總是由某個(gè)事件發(fā)生或時(shí)間條件滿(mǎn)足來(lái)激活。事件有兩種：內(nèi)部事件和外部事件。時(shí)間驅(qū)動(dòng)也有兩種：按絕對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)和按相對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部事件驅(qū)動(dòng)是指某一程序運(yùn)行的結(jié)果導(dǎo)致另一任務(wù)的啟動(dòng)，這個(gè)結(jié)果可能是數(shù)據(jù)滿(mǎn)足一定條件，也可能是釋放了某一資源；而最典型的實(shí)時(shí)任務(wù)是由外部事件驅(qū)動(dòng)的。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，外部事件發(fā)生有時(shí)是不可預(yù)測(cè)的，由外部事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)一般是需要立即執(zhí)行的任務(wù)，它的優(yōu)先級(jí)最高。絕對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)是指在某指定時(shí)刻執(zhí)行的任務(wù)，也就是在自然時(shí)鐘的絕對(duì)時(shí)間執(zhí)行。相對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)是指周期性執(zhí)行的任務(wù)，總是相對(duì)上一次執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)，執(zhí)行時(shí)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(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)，如等待某種條件到來(lái)。等待時(shí)間是編程設(shè)定的。相對(duì)時(shí)間可用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘或軟件計(jì)時(shí)。
圖2 獨(dú)立并行任務(wù)
我們?cè)趯?shí)時(shí)設(shè)計(jì)當(dāng)中，這兩方面的問(wèn)題都有所體現(xiàn)，所有的事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)都體現(xiàn)在設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)標(biāo)識(shí)和線程標(biāo)識(shí)。從后面的討論中可以看出，當(dāng)硬件環(huán)境一定時(shí)，依據(jù)這些標(biāo)識(shí)，通過(guò)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(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要取決于這兩點(diǎn)。
2 多任務(wù)多線程機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
我們?cè)O(shè)計(jì)的對(duì)象是雙通道和四通道測(cè)試的某型醫(yī)用檢驗(yàn)設(shè)備。每個(gè)通道可以置入樣本，設(shè)置不同的測(cè)試項(xiàng)目，完成測(cè)試后輸出不同的測(cè)試結(jié)果和附加的計(jì)算結(jié)果。
常規(guī)的處理方法是這樣的：和通道只能測(cè)試同一個(gè)項(xiàng)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(jiǎn)化起見(jiàn)，我們用雙通道進(jìn)行說(shuō)明。
顯然，這樣做不僅會(huì)失去測(cè)試的靈活性，例如不能同時(shí)測(cè)量不項(xiàng)目，不過(guò)隨意在不同通道中測(cè)試不同版本，即使有空余通道也不能在上一樣本測(cè)試過(guò)程中啟動(dòng)下一樣本的測(cè)試；而且還犧牲效率，浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)橐让總�(gè)階段最慢的一個(gè)處理完才能進(jìn)入下一階段。這其實(shí)是單任務(wù)的多次簡(jiǎn)單重復(fù)，設(shè)計(jì)也容易。國(guó)內(nèi)很多類(lèi)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(jì)，即要求所有通道可以完全獨(dú)立工作；任意啟動(dòng)和停止；彼此沒(méi)有約速；時(shí)間上可以任意重疊；是幾個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，如圖2。
這里我們把每一個(gè)啟動(dòng)通道進(jìn)行測(cè)試的程序叫做一個(gè)任務(wù)，把各自任務(wù)下的每一個(gè)單獨(dú)的、分開(kāi)處理的程序段叫做一個(gè)線程，每個(gè)線程依靠自己的標(biāo)識(shí)來(lái)識(shí)別。一個(gè)通道的測(cè)試任務(wù)可分為啟動(dòng)、設(shè)置、加樣品、預(yù)溫計(jì)時(shí)、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(gè)線程。另外，有一個(gè)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控獨(dú)立線程，它的優(yōu)先級(jí)要次于通道的測(cè)試采樣。
圖3 前臺(tái)控制流程1----void Xlnt0() interrupt0
這些線程可分屬于前臺(tái)和后臺(tái)兩類(lèi)：前臺(tái)主要是一些中斷的處理，例如兩路溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、每100ms內(nèi)的各通道循環(huán)檢測(cè)一遍、采用中斷方式的鍵盤(pán)干預(yù)等；后臺(tái)主要是掃描方式下響應(yīng)操作員的按鍵請(qǐng)求、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、打印報(bào)告等內(nèi)容。
整個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)制可以簡(jiǎn)單地概括如下：前臺(tái)通過(guò)合理安排中斷的響應(yīng)和服務(wù)方式來(lái)對(duì)多個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)線程進(jìn)行處理；后臺(tái)操作主要以循環(huán)方式掃描各個(gè)任務(wù)的線程標(biāo)識(shí)，滿(mǎn)足條件的線程被激活予以處理。
限于篇幅，不可能詳細(xì)介紹整個(gè)設(shè)計(jì)方案，在此只能給出各測(cè)試通道工作任務(wù)的前臺(tái)和后臺(tái)線程劃分及流程，供參考。然后，
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