单片机多任务调度

2019-04-15 12:07发布

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mcu由于内部资源的限制，软件设计有其特殊性，程序一般没有复杂的算法以及数据结构，代码量也不大， 通常不会使用OS (Operating System),  因为对于一个只有 若干K ROM, 一百多byte RAM 的 mcu 来说，一个简单OS  也会吃掉大部分的资源。 对于无 os 的系统，流行的设计是主程序(主循环 ) + （定时）中断，这种结构虽然符合自然想法，不过却有很多不利之处，首先是中断可以在主程序的任何地方发生，随意打断主程序。其次主程序与中断之间的耦合性（关联度）较大，这种做法 使得主程序与中断缠绕在一起，必须仔细处理以防不测。 那么换一种思路，如果把主程序全部放入（定时）中断中会怎么样？这么做至少可以立即看到几个好处: 系统可以处于低功耗的休眠状态，将由中断唤醒进入主程序; 如果程序跑飞，则中断可以拉回；没有了主从之分（其他中断另计），程序易于模块化。 (题外话：这种方法就不会有何处喂狗的说法，也没有中断是否应该尽可能的简短的争论了) 为了把主程序全部放入（定时）中断中，必须把程序化分成一个个的模块，即任务，每个任务完成一个特定的功能，例如扫描键盘并检测按键。 设定一个合理的时基 (tick), 例如  5, 10 或 20 ms,  每次定时中断，把所有任务执行一遍，为减少复杂性，一般不做动态调度（最多使用固定数组以简化设计，做动态调度就接近 os 了），这实际上是一种无优先级时间片轮循的变种。来看看主程序的构成: void main() {  ….   // Initialize while (true) {   IDLE；     //sleep } }   这里的 IDLE 是一条sleep 指令，让 mcu 进入低功耗模式。中断程序的构成 void Timer_Interrupt()  {      SetTimer();      ResetStack(); Enable_Timer_Interrupt;      …. } 进入中断后，首先重置Timer, 这主要针对8051, 8051 自动重装分频器只有 8-bit, 难以做到长时间定时；复位 stack ，即把stack 指针赋值为栈顶或栈底（对于 pic， TI DSP 等使用循环栈的 mcu 来说，则无此必要），用以表示与过去决裂，而且不准备返回到中断点，保证不会保留程序在跑飞时stack 中的遗体。Enable_Timer_Interrupt 也主要是针对8051。8051 由于中断控制较弱，只有两级中断优先级，而且使用了如果中断程序不用 reti 返回，则不能响应同级中断这种偷懒方法，所以对于 8051, 必须调用一次 reti 来开放中断： _Enable_Timer_Interrupt:  acall       _reti  _reti:        reti                  下面就是任务的执行了，这里有几种方法。第一种是采用固定顺序，由于mcu 程序复杂度不高，多数情况下可以采用这种方法： … Enable_Timer_Interrupt; ProcessKey(); RunTask2();  … RunTaskN(); while (1) IDLE； 可以看到中断把所有任务调用一遍，至于任务是否需要运行，由程序员自己控制。另一种做法是通过函数指针数组：  #define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0])) typedef void (*FUNCTIONPTR)(); const FUNCTIONPTR[] tasks = { ProcessKey, RunTask2， … RunTaskN }; void Timer_Interrupt()  {    SetTimer();    ResetStack();    Enable_Timer_Interrupt;    for (i=0; i 使用const 是让数组内容位于 code segment （ROM) 而非 data segment (RAM) 中，8051 中使用 code 作为 const 的替代品。 (题外话：关于函数指针赋值时是否需要取地址操作符 & 的问题，与数组名一样，取决于 compiler. 对于熟悉汇编的人来说，函数名和数组名都是常数地址，无需也不能取地址。对于不熟悉汇编的人来说，用 & 取地址是理所当然的事情。Visual C++ 2005对此两者都支持)  这种方法在汇编下表现为散转, 一个小技巧是利用 stack 获取跳转表入口:   mov     A, state   acall    MultiJump  ajmp     state0 ajmp               state1  ... MultiJump:                   pop      DPH  pop      DPL  rl       A jmp      @A+DPTR 还有一种方法是把函数指针数组（动态数组，链表更好，不过在 mcu 中不适用）放在 data segment 中，便于修改函数指针以运行不同的任务，这已经接近于动态调度了： FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks; tasks[0] = ProcessKey; tasks[0] = RunTaskM; tasks[0] = NULL;  ... FUNCTIONPTR pFunc; for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)  {     pFunc = tasks[i]);     if (pFunc != NULL)       (*pFunc)(); }   通过上面的手段，一个中断驱动的框架形成了，下面的事情就是保证每个 tick 内所有任务的运行时间总和不能超过一个tick 的时间。为了做到这一点，必须把每个任务切分成一个个的时间片，每个 tick 内运行一片。这里引入了状态机 (state machine) 来实现切分。关于 state machine,  很多书中都有介绍， 这里就不多说了。 (题外话：实践升华出理论，理论再作用于实践。我很长时间不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到学习UML/C++，书中介绍 tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然开朗。功夫在诗外，掌握 C++, 甚至C# JAVA,对理解嵌入式程序设计，会有莫大的帮助) 状态机的程序实现相当简单，第一种方法是用 swich-case 实现： void RunTaskN() {    switch (state) {     case 0: state0(); break; case 1: state1(); break;     … case M: stateM(); break;     default:       state = 0; } } 另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组： const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM }; void RunTaskN() { (*states[state])(); } 下面是 state machine 控制的例子： void state0() { }             void state1() { state++; }   //  next state; void state2() { state+=2; }   //  go to state 4; void state3() { state--; }      //  go to previous state; void state4() { delay = 100; state++; } void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }   //delay 100*tick void state6() { state=0; }      //  go to the first state 一个小技巧是把第一个状态 state0 设置为空状态，即：   void state0() { } 这样，state =0可以让整个task 停止运行，如果需要投入运行，简单的让 state = 1 即可。   以下是一个键盘扫描的例子，这里假设 tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函数控制口线的输出扫描，并检测输入转换为键码，利用每个state 之间 20 ms 的间隔去抖动。 enum EnumKey { EnumKey_NoKey =  0, … }; struct StructKey { int    eyValue;  bool    keyPressed; }; struct StructKeyProcess key; void ProcessKey() { (*states[state])(); }               void state0() { }             void state1() { key.keyPressed = false; state++; } void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if a key pressed void state3() {     //debouncing state key.keyValue = ScanKey(); if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)  state--; else { key.keyPressed = true;       state++; }                 }   void state4() {   if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if the key released void state5() {   ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; } 上面的键盘处理过程显然比通常使用标志去抖的程序简洁清晰，而且没有软件延时去抖的困扰。以此类推，各个任务都可以划分成一个个的state, 每个state 实际上占用不多的处理时间。某些任务可以划分成若干个子任务，每个子任务再划分成若干个状态。 (题外话：对于常数类型，建议使用 enum 分类组织，避免使用大量 #define 定义常数) 对于一些完全不能分割，必须独占的任务来说，比如我以前一个低成本应用中红外遥控器的软件解码任务，这时只能牺牲其他的任务了。两种做法：一种是关闭中断，完全的独占; void RunTaskN() {     Disable_Interrupt;      …     Enable_Interrupt; }             第二种，允许定时中断发生，保证某些时基 register 得以更新; void Timer_Interrupt() {  SetTimer(); Enable_Timer_Interrupt; UpdateTimingRegisters(); if (watchDogCounter = 0) { ResetStack(); for (i=0; i 只要watchDogCounter 不为 0，那么中断正常返回到中断点，继续执行先前被中断的任务，否则，复位 stack, 重新进行任务循环。这种状况下，中断处理过程极短，对独占任务的影响也有限。 中断驱动多任务配合状态机的使用，我相信这是mcu 下无os 系统较好的设计结构。对于绝大多数 mcu 程序设计来说，可以极大的减轻程序结构的安排，无需过多的考虑各个任务之间的时间安排，而且可以让程序简洁易懂。缺点是，程序员必须花费一定的时间考虑如何切分任务。 下面是一段用 C 改写的CD Player 中检测 disc 是否存在的伪代码，用以展示这种结构的设计技巧，原源代码为Z8 mcu 汇编, 基于 Sony 的 DSP, Servo and RF 处理芯片, 通过送出命令字来控制主轴/滑板/聚焦/寻迹电机，并读取状态以及 CD 的sub Q 码。这个处理任务只是一个大任务下用state machine切开的一个二级子任务，tick = 20 ms。 state1() { InitializeMotor(); state++; } state2() {  if (innerSwitch != ON) { SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward); timeout = MILLISECOND(10000)；  state++;                // 滑板电机向内运动, 直至触及最内开关。 } else   state += 2; }               state3() {    if ((--timeout) == 0) {     //note: some C compliers do not support (--timeout) == // SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)      systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch; state = 0;    // 10 s 超时错误， }    else {      if (innerSwitch == ON) { SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)         timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms电机停止时间          state++;      } } } state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }                  //等待电机完全停止 state5() {  SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward); timeout = MILLISECOND(2000)；  state++; }        // 滑板电机向外运动,脱离inner switch state6() {    if ((--timeout) == 0) {     SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)       systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch; state = 0;              // 2 s 超时错误， } else {       if (innerSwitch == OFF) { SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)           timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms电机停止时间            state++; } } } state7() { state4(); }  state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3; }                 //打开激光器 state9() { SendCommand(FocusUp); state++;  timeout = MILLISECOND(2000)； }                  //光头上举，检测聚焦过零 3 次，判断cd 是否存在                 state10() {     if (FocusCrossZero)   { systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;           SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);    //有cd, 打开自动聚焦。        state = 0;                             //本任务结束。 playProcess.state = 1;                //启动 play 任务 } else if ((--timeout) == 0) {        SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);         //光头聚焦复位  if ((--retryCounter) == 0) {           systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;       //无盘           displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;  //显示闪烁的无盘             LaserOff(); state = 0;                //任务停止  }        else  state--;               //再试                    } }   stateStop() { SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);     SendCommand(EnumCommand_FocusClose);      state = 0; }  

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