多任務(wù)程序架構(gòu)的搭建

虞益龍

(常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213000)

1.引言

傳統(tǒng)的單片機程序設(shè)計多為單任務(wù)系統(tǒng)，其業(yè)務(wù)邏輯順序安排在主函數(shù)中，主函數(shù)一般為死循環(huán)，循環(huán)過程中通過調(diào)用函數(shù)來完成相應(yīng)的操作，而對于一些較短的實時任務(wù)則通過中斷方式進行處理。此種程序結(jié)構(gòu)簡單、直觀，易于實現(xiàn)，但對于較復(fù)雜的應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不了，并且不能滿足實時性要求較高的場合，因此必須考慮一種新的結(jié)構(gòu)模式。

本文提出的方法也是按時間片切換任務(wù)的，但不同的是，執(zhí)行任務(wù)的時間不是由定時器平均分配的，而是按照執(zhí)行任務(wù)中一個完整過程的時間來自動分配的。在單片機系統(tǒng)程式設(shè)計中，可按系統(tǒng)的功能或模塊劃分為任務(wù)，而每個任務(wù)可按具體作業(yè)細分為各個過程?？梢娙蝿?wù)由過程組成。按時間片分配任務(wù)的設(shè)計，系統(tǒng)效率就會更高。

2.多任務(wù)輪循程序架構(gòu)

多任務(wù)輪循程序架構(gòu)就是一個系統(tǒng)由多個任務(wù)構(gòu)成，各任務(wù)之間相對獨立。本文提出一種基于定時器中斷的多任務(wù)輪循程序架構(gòu)，如圖1所示。在主程序中，根據(jù)任務(wù)延時量判斷任務(wù)是否就緒，各任務(wù)輪循占用CPU時間，由任務(wù)延時量控制任務(wù)執(zhí)行頻度及CPU關(guān)照度，而任務(wù)延時量又由定時器T0中斷控制。

圖1 定時中斷的多任務(wù)輪循程序架構(gòu)流程圖

基于定時器中斷的多任務(wù)輪循架構(gòu)中，子任務(wù)的執(zhí)行依靠主程序任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)，子任務(wù)不能設(shè)計成死循環(huán)流程。正因為各任務(wù)不搶占CPU，所以程序設(shè)計不用考慮現(xiàn)場保護問題，簡化了程序設(shè)計。程序整體架構(gòu)有定時器固定節(jié)拍中斷，該節(jié)拍需滿足最快任務(wù)執(zhí)行頻度需要。定義定時中斷頻度，由執(zhí)行頻度要求最快的任務(wù)確定，太高會降低CPU運行效率，太低任務(wù)頻度不好分配，一般低于200Hz即可。本文采用50Hz。對于按鍵掃描程序模塊，每秒按50次頻度執(zhí)行即可，LCD1602和實時時鐘數(shù)據(jù)讀取模塊可以按每秒3次頻度執(zhí)行即可。

2.1 調(diào)用函數(shù)和宏定義

/*代碼說明：這里通過宏定義，在頭文件中把易變參數(shù)進行定義，這樣使得程序容易修改，一改全改，便于移植。*/

2.2 定時器設(shè)置及初始化

/*代碼說明：定時中斷在這里就是心臟，依靠定時中斷完成任務(wù)延時量的修改，從而實現(xiàn)不同任務(wù)運行頻度控制。*/

2.3 定時器中斷服務(wù)

任務(wù)執(zhí)行頻度由任務(wù)延時量task_delay[ID]控制，各任務(wù)延時量在定時中斷中減一，直到延時量為零，相關(guān)任務(wù)就緒。“ID”表示各任務(wù)代號。任務(wù)調(diào)度過程就是對任務(wù)延時量檢測過程，只有任務(wù)延時量為零時，CPU從其它任務(wù)中返回后立即執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，由于不同任務(wù)延時量不同，從而實現(xiàn)不同任務(wù)具有不同的執(zhí)行頻度而相互不受時間影響。這里必須滿足一個條件，就是每個任務(wù)執(zhí)行一次的時間不能太長，不能超過一次定時中斷時間，否則任務(wù)之間執(zhí)行頻度會有影響，對于50Hz的中斷頻率，每個任務(wù)執(zhí)行時間最好不超過20ms，即CPU光顧一次任務(wù)時間要在20ms以內(nèi)，這樣就可以保證任務(wù)之間相互完全不受影響。

定時器中斷服務(wù)等待任務(wù)就緒代碼如下：

/*代碼說明：在定時中斷服務(wù)中，執(zhí)行的任務(wù)必須很簡短，重置定時器初值，把大于0的任務(wù)延時量減1，該定時中斷作為心臟跳動，不斷進出運行，為了節(jié)省CPU時間，該中斷任務(wù)越簡單越好。*/

2.4 指向函數(shù)的指針函數(shù)

2.5 任務(wù)切換

任務(wù)切換在主程序main()中完成，系統(tǒng)初始化之后，在一個大循環(huán)中，判斷各任務(wù)的延時量是否為零，當任務(wù)延時量為零時，表示該任務(wù)就緒，當前一個任務(wù)主動放棄CPU之后，馬上啟動就緒的新任務(wù)。各任務(wù)之間不具有搶占功能，因此不用考慮堆棧與保護。

主程序服務(wù)及任務(wù)切換代碼如下：

/*代碼說明：根據(jù)任務(wù)延時量是否為零選擇執(zhí)行就緒任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行完成后返回再恢復(fù)設(shè)定的延時量；下劃線表示任務(wù)執(zhí)行的頻度，即每秒鐘執(zhí)行多少次。各個不同的任務(wù)，根據(jù)需要，設(shè)定不同的延時量，延時量在定時中斷中逐步減一歸零，每個任務(wù)必須主動放棄CPU，正因此，各任務(wù)執(zhí)行時間最好不要超過定時中斷節(jié)拍時間單位，本文為20ms，否則將影響其它任務(wù)運行。*/

2.6 任務(wù)過程設(shè)計

/*代碼說明：任務(wù)延時量為零時，就緒任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)過程可以根據(jù)需求設(shè)置若干個。例：數(shù)碼管顯示模塊可以放在任務(wù)0執(zhí)行，按鍵掃描程序模塊放在任務(wù)1執(zhí)行。*/

由此可見，系統(tǒng)按完整過程(最小作業(yè)單元)自動切換任務(wù)，不需保留臨時現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不需定時被動切換，不需額外的調(diào)度表。與單任務(wù)編程相比，多任務(wù)編程也沒有占用系統(tǒng)任何額外資源，其結(jié)構(gòu)和代碼的可讀性也沒有較大的改變。

3. 結(jié)語

單片機多任務(wù)編程方法可歸納為：(1)在單片機多任務(wù)編程中，各任務(wù)依次排成隊列輪流執(zhí)行；(2)每次執(zhí)行任務(wù)只調(diào)用其一個過程來執(zhí)行，可保證各任務(wù)間最快速地切換；(3)各任務(wù)、過程間使用全局變量共享或交換數(shù)據(jù)，避免各種參數(shù)傳遞。

在過去采用傳統(tǒng)方法設(shè)計復(fù)雜的單片機系統(tǒng)過程中，人們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)交叉調(diào)用多，重復(fù)代碼多，系統(tǒng)運行效率差，邏輯容易混亂且難以調(diào)試。鑒于此，需要探索一個結(jié)構(gòu)清晰，易調(diào)試，任務(wù)明確且可重用、提高開發(fā)效率，無相互調(diào)用，無重復(fù)代碼的系統(tǒng)。采用定時中斷的多任務(wù)輪循程序架構(gòu)，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，基于該架構(gòu)的系統(tǒng)產(chǎn)品消耗硬件資源少，運行效率高，其硬件功能更多以軟件取代，所以運行更穩(wěn)定，易維護，性價比高，取得了更高的經(jīng)濟效益。

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