基于頁的8051多任務(wù)模型

摘要 從分析重入堆棧的原理與不足出發(fā)，通過把8051頁變量與重八問題相聯(lián)系，提出基于頁的重入函數(shù)，并設(shè)計一種實(shí)時性和安全性較好的基于頁的805l多任務(wù)模型。從變量存取帶寬的角度，將該模型與重入堆棧方案進(jìn)行對比，確定新模型中變量存取速度可獲得最高為3．75倍的提升；最后列出一些設(shè)計上的限制及對策。
關(guān)鍵詞 805l 重入堆棧 多任務(wù)模型 實(shí)時 頁變量

隨著8051微控制器性能的不斷提高，使用多任務(wù)操作系統(tǒng)對單片機(jī)進(jìn)行資源管理已成為當(dāng)代開發(fā)的需要。由于受靜態(tài)鏈接的限制，8051系統(tǒng)的多任務(wù)開發(fā)需要處理代碼重入(reentrance)的問題。
為了實(shí)現(xiàn)重入，通常可以利用Keil C51的關(guān)鍵字reentrant，將函數(shù)聲明為重人類型。通過在重入堆棧分配局部變量，使函數(shù)具有可重入性；但該重入方案的實(shí)時性較差。
為提高多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時性，本文介紹一種新方案――基于頁的多任務(wù)模型。

1 重入函數(shù)的原理與不足
當(dāng)使用Kcil C51的關(guān)鍵字reentrant來指定函數(shù)屆性時，即得重入函數(shù)(reentrant function)。
1．1 重入函數(shù)的原理
重入函數(shù)的原理是Keil C編譯器建立一個軟件操作的重入堆棧。重入函數(shù)能自動為不同的調(diào)用者在重入堆棧中分配獨(dú)立局部變量，使函數(shù)具備重入性。
變量分配過程如圖l所示，函數(shù)人口首先申請存儲空間。函數(shù)返回前，必須將所申請的存儲空間歸還。變量分配和回收的位置都是重入堆棧的棧頂。
1.2 重入函數(shù)的不足
重入堆棧的最大缺點(diǎn)為效率低，Keil C51用戶手冊中已有明確記載。
由圖l可作以下分析：首先，每次使用局部變量都需要計算變量地址，大大降低了變量存取速度，也消耗了處理器時間；其次，因為重入堆棧是純軟件實(shí)現(xiàn)的，因此反復(fù)進(jìn)行的堆棧操作使重入函數(shù)的實(shí)時性進(jìn)一步惡化。

2 基于頁的多任務(wù)模型原理與實(shí)現(xiàn)
2．1 原理
解決函數(shù)重入的關(guān)鍵在于局部變量的分配，可以從8051存儲器類型的分析和選擇入手。
8051控制器能直接尋址的存儲器類型很豐富。在這些類型中，我們注意到了頁變量(pdata)及其與眾不同的特性。
(1)頁變量pdata
根據(jù)Intel公司的用戶手冊，805l的頁存儲器就是指單字節(jié)地址方式操作的外部存儲器。使用單字節(jié)地址方式時，允許使用P2對外部數(shù)據(jù)來分頁，該方式的操作指令為“MOVX@Ri”。指令中R0或R1提供頁內(nèi)地址(低8位地址)，P2寄存器隱藏地提供頁地址(高8位地址)。
單字節(jié)地址方式將8051的64 KB外部存儲器分成256個頁面，如圖2所示。其硬件特征如下：①系統(tǒng)的256個頁面的存儲結(jié)構(gòu)完全一致；②工作頁面可以被指定為這256頁中的任意一頁；③頁地址由P2隱式提供給地址總線，且頁地址可以由程序修改。

工具方面，Keil C51專用關(guān)鍵字pdata表示單字節(jié)方式尋址的外部數(shù)據(jù)類型，pdata變量即頁變量。編譯后的頁變量具有以下特性：①頁變量操作嚴(yán)格對應(yīng)單字節(jié)地址方式；②頁變量全部轉(zhuǎn)換成了靜態(tài)頁內(nèi)地址。
(2)頁函數(shù)
根據(jù)頁變量性質(zhì)，只要函數(shù)的所有局部變量都被指定為頁變量類型，那么，函數(shù)所生成的代碼就可以工作于系統(tǒng)任一頁面上。
當(dāng)操作系統(tǒng)為一個函數(shù)分配多個頁面時，該函數(shù)與每一個頁面上的局部變量均構(gòu)成一個進(jìn)程。
與重入函數(shù)不同，這類函數(shù)本身不能自動分配變量，因此沒有重入性。只有在操作系統(tǒng)的協(xié)助下，為其分配工作頁后，頁函數(shù)才是可重入的。頁函數(shù)中變量使用靜態(tài)地址，因此其存取速度得到大幅提升，改善了系統(tǒng)的實(shí)時性。
為區(qū)別Keil C51定義的重入函數(shù)(reentrant func-tion)，我們稱這種只使用頁變量的函數(shù)為“基于頁的重入函數(shù)(page-based reentrant function)”，簡稱為“頁函數(shù)”。
2.2 實(shí)現(xiàn)
根據(jù)原理分析中的可行性，筆者設(shè)計了名為Celia的基于頁的占先式8051多任務(wù)調(diào)度內(nèi)核。沿用μC／OS-II的結(jié)構(gòu)框圖與處理流程，在TCB(Task Control Block，任務(wù)控制塊)中增加一個字節(jié)的頁面字段，并改寫了部分程序。有μC／OS-II為參照，使該調(diào)度內(nèi)核的設(shè)計可以很快完成。經(jīng)過在以W78P438為核心的平臺上實(shí)測，該系統(tǒng)調(diào)度正常，程序運(yùn)行正確。這證明該重入方案可行。

3 基于頁的多任務(wù)模型性能分析
基于頁的多任務(wù)模型的程序結(jié)構(gòu)與μC／OS-II基本一致，其區(qū)別主要是頁函數(shù)與重入函數(shù)的區(qū)別，因此，這里主要分析頁變量存取與重入堆棧變量存取的性能對比。
3.1 優(yōu)點(diǎn)
(1)更高的變量存取帶寬
8051為8位總線接口，單字節(jié)存取是其基本操作。研究單字節(jié)變量的存取帶寬可以從根本上說明頁變量的優(yōu)點(diǎn)。
805l系統(tǒng)操作外部存儲器使用的是MOVX指令。執(zhí)行該指令需要2個機(jī)器周期。在標(biāo)準(zhǔn)8051中，1個機(jī)器周期為12／fOSC，則總線帶寬如式(1)所示。其中fOSC為晶振頻率。

如圖l，重入函數(shù)操作單字節(jié)變量i=0xaa，共需要15個機(jī)器周期。其中僅計算變量地址就需要12個機(jī)器周期。因此，重入堆棧的實(shí)際存取帶寬如式(2)所示。

相對地，頁函數(shù)中變量地址是確定的。因為不需要計算地址的額外操作，其變量操作速度比重入堆棧有大幅提高。如圖3所示，頁函數(shù)中操作單字節(jié)變量只需要4個機(jī)器周期。頁變最的實(shí)際存取帶寬如式(3)：

各種帶寬的對比如下：

進(jìn)一步分析可知，操作多字節(jié)變量時，重入函數(shù)也只需要計算一次變量地址。故進(jìn)行單字節(jié)變量存取時，重入堆棧的存取帶寬就是最低值。
綜上所述，相對重入堆棧，存取單字節(jié)變量過程中，頁函數(shù)的帶寬加速比達(dá)到最大值Rmax=3．75，如式(4)所示。這表示相對于過去的重入函數(shù)，頁函數(shù)具有更高的執(zhí)行效率和實(shí)時性。

另外，如果頁函數(shù)不需要計算和操作重入堆棧指針，則不需要圖1中函數(shù)入口和出口處的指針操作(C?ADDXBP)，可再次節(jié)省22個(首尾各11)指令周期。
(2)較好的安全性
配置頁面的工作是由操作系統(tǒng)完成的。在使用基于頁的多任務(wù)開發(fā)中，任務(wù)本身不能更換頁面；因此，私有變量的操作只在當(dāng)前頁進(jìn)行，不會影響到其他頁或其他任務(wù)。這樣的程序封裝體現(xiàn)了較好的安全性。
3．2 存在問題與解決方法
(1)容量的限制
8051的硬件決定了頁面大小為256字節(jié)，不可變更。這使得“頁面容量限制”成為基于頁的多任務(wù)開發(fā)中最需要考慮的問題。
存儲器的一頁為256字節(jié)，與最小模式下8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)空間(IDATA空間)大小相同。因此，筆者認(rèn)為頁變量的256字節(jié)能滿足最小模式任務(wù)的需要。
對于需求超過256字節(jié)的任務(wù)，可在頁面外的外部存儲器中申請后備空間。只要指向后備空間的指針在頁面內(nèi)，則該后備空間仍是私有的，滿足重入條件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。雖然后備存取區(qū)使用指針操作，但不需要計算變量地址，因此后備存儲區(qū)存取速度優(yōu)于重入堆棧。

(2)工具的限制
目前，Keil C51開發(fā)工具不提供多任務(wù)以及多頁面支持。這主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：
①需要新的函數(shù)庫?，F(xiàn)有的大量函數(shù)庫不支持頁函數(shù)方式重入。準(zhǔn)確地說，大部分函數(shù)庫不支持任何方式的重入――即使使用重入堆棧，函數(shù)庫問題也依然存在。目前的解決方法只有程序員根據(jù)需要編寫新的頁函數(shù)庫。
②一個項目中只允許存在一個pdata頁面，不能按任務(wù)將變量安排在不同的邏輯頁面上。其后果是，多任務(wù)開發(fā)中，編譯鏈接工具只在同一個頁面中分配所有任務(wù)的頁變量，導(dǎo)致存儲器迅速溢出。
問題②的解決方案是：為使每個任務(wù)具有自己的工作頁，為每個任務(wù)單獨(dú)建立工程，并使用COMPACT方式進(jìn)行編譯。各個任務(wù)工程之間和操作系統(tǒng)之間使用絕對地址表傳遞系統(tǒng)調(diào)用和任務(wù)入口地址。絕對地址表是對一些系統(tǒng)調(diào)用的約定地址。
這些不便之處是暫時的、可克服的。

結(jié)語
8051主要應(yīng)用領(lǐng)域為實(shí)時控制，因此努力提高系統(tǒng)實(shí)時性是開發(fā)者不斷追求的目標(biāo)。筆者從提高實(shí)時性的角度出發(fā)，提出了一種基于頁的多任務(wù)模型。相對于目前重入堆棧多任務(wù)模型，它具有較好的實(shí)時性，也是處理重入問題的一種新思路。
本模型已經(jīng)過Keil C5l仿真工具的一般性測試，并在W78P438芯片上實(shí)測成功，相信其結(jié)果適用于全部8051及兼容系列?？紤]到8051依然廣泛應(yīng)用在多任務(wù)開發(fā)中，本文中的新模型值得推廣。