51單片機(jī)多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)策略

51單片機(jī)在微型智能控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣，隨著人們對控制系統(tǒng)的要求不斷提高，51單片機(jī)的功能局限越發(fā)明顯。特別是51系列單片機(jī)不具有實(shí)時(shí)多任務(wù)支持功能，大大限制其在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展。而多任務(wù)恰恰是現(xiàn)在操作系統(tǒng)的突出特點(diǎn)，將多任務(wù)機(jī)制引入51單片機(jī)系統(tǒng)，可以大大提高先有單片機(jī)系統(tǒng)的工作效率，滿足多任務(wù)要求。

1多任務(wù)機(jī)制在51單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)原理

多任務(wù)要求在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，如果只有一個(gè)處理，計(jì)算機(jī)并不是真的在給定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行多個(gè)程序，而是按時(shí)間片在各個(gè)程序間飛快切換，由于求歡非常快，所以就有了在同一時(shí)間內(nèi)運(yùn)行多個(gè)程序的錯(cuò)覺了。

就操作系統(tǒng)的特點(diǎn)來看，多任務(wù)系統(tǒng)不外乎兩種方式：協(xié)同式和搶占式。在一個(gè)協(xié)同式多任務(wù)系統(tǒng)中，每個(gè)運(yùn)行的程序都要負(fù)責(zé)釋放CPU控制權(quán)以便別的程序能有機(jī)會(huì)運(yùn)行，不管是顯式地（Explicitly）還是隱式地（Implicitly）交出控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)程序因執(zhí)行為某個(gè)目的而安排的一個(gè)特殊的系統(tǒng)指令（如程序?qū)Υ疟P絕對讀寫指令）時(shí)，稱它 顯式地放棄控制權(quán)；當(dāng)它因?yàn)閳?zhí)行某條系統(tǒng)指令，而該指令在執(zhí)行時(shí)又會(huì)放棄CPU的控制權(quán)（如操作系統(tǒng)虛擬內(nèi)存技術(shù)的頁面切換）時(shí)，稱它隱式地放棄了控制權(quán)。

在搶占式多任務(wù)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)必須具有從任何一個(gè)運(yùn)行的程序上取走控制權(quán)和使另一個(gè)程序獲得控制權(quán)的能力。一個(gè)搶占式系統(tǒng)下運(yùn)行的應(yīng)用程序不用擔(dān)心獨(dú)占系統(tǒng)，因?yàn)闀?huì)合理地給每個(gè)運(yùn)行的任務(wù)分配時(shí)間片。將這種系統(tǒng)稱作搶占式系統(tǒng)是因?yàn)樗还茉谒o時(shí)間塊內(nèi)會(huì)發(fā)生什么事，都搶占運(yùn)行程序的控制權(quán)。

51單片機(jī)本身是單任務(wù)工作的，即程序只能按單一的線索順序執(zhí)行，一個(gè)任務(wù)完成之后（除非中斷），才能進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)。但是，51單片機(jī)內(nèi)提供了T0和T1兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，若系統(tǒng)時(shí)鐘為12MHz，那么計(jì)時(shí)器最長可計(jì)時(shí)65.536ms，最短為1us。也即通過對定時(shí)器工作模式進(jìn)行設(shè)置，可以進(jìn)行1us-65.536ms的定時(shí)器工作模式進(jìn)行設(shè)置，可以進(jìn)行1us-65.536ms的定時(shí)中斷。如果把定時(shí)中斷用作時(shí)間片段的分配，完全可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)分時(shí)輪換執(zhí)行。同時(shí)，單片機(jī)還提供INT0與INT1兩個(gè)外部中斷（可通過8259擴(kuò)充多級中斷）和P0,P1,P2三個(gè)可編程的I/O端口，與定時(shí)器配合下，完全可以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)先權(quán)判別的多任務(wù)控制。

2實(shí)現(xiàn)策略

2.1通過定時(shí)器分配時(shí)間片實(shí)現(xiàn)多任務(wù)輪換執(zhí)行

由于單片機(jī)內(nèi)兩個(gè)定時(shí)器可以同時(shí)工作，只要在一個(gè)定時(shí)器內(nèi)開啟/關(guān)閉另一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器交替工作，就可以實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的定時(shí)。兩個(gè)16位定時(shí)器在不斷增加外部計(jì)數(shù)單元的情況下，理論上可以實(shí)現(xiàn)1us-4.29之間的定時(shí)。但是由于中斷和初始化設(shè)置等需要消耗單片機(jī)時(shí)間，所以單純使用定時(shí)器產(chǎn)生的最長時(shí)間片比理論值短一些。單片機(jī)內(nèi)部任務(wù)輪換來說已經(jīng)足夠了。

假設(shè)多個(gè)任務(wù)控制著多個(gè)設(shè)備，可以讓單片機(jī)的I/O口連接相應(yīng)的設(shè)備。每個(gè)任務(wù)分配一定的時(shí)間片，在時(shí)間片內(nèi)占用CPU，進(jìn)行運(yùn)算和控制外部設(shè)備，多個(gè)任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)輪換，其主流程如圖下：

若用T0產(chǎn)生時(shí)間片，時(shí)間片中斷內(nèi)計(jì)時(shí)間片數(shù)，T1統(tǒng)計(jì)任務(wù)外不信號的頻率，可供控制系統(tǒng)參考。部分匯編源代碼如下：

org 00h;

jmp main

org 0bh

jmp tim0

org 1bh

jmp tim1

main:

. . .

mov tcon,#00000000b

mov tmod,#01010001b

mov th0,#high(65536-10000);10000微妙定時(shí)（時(shí)間片）

mov tl0,#low(65536-10000)

setb et0

setb et1

setb tr0

setb tr1

mov 40h,#100 ；中斷次數(shù)即時(shí)間片數(shù)存入40h；以此1秒計(jì)時(shí)為例，定時(shí)器t0執(zhí)行100次定時(shí)中斷

tim0：

push acc

push psw

mov th0,#high(65536-1000);重復(fù)產(chǎn)生時(shí)間片

mov tl0,#low(65536-10000)

djnz 40h,tim0c

clr trl

nop

lcall xxxx;調(diào)用任務(wù)調(diào)度程序

mov 40h,#100;重置時(shí)間片數(shù)

mov 42h,th1;保存t1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

mov 41h,tl1

setb tr1

tim0c:

pop psw

pop acc

reti

;用t1做統(tǒng)計(jì)某任務(wù)外部信號頻率

tim1：

clr tr1

...;其它調(diào)度程序

setb trl

reti

2.2通過外部中斷后掃描端口來切換任務(wù)

如果單片機(jī)外接較多的傳感器，任務(wù)的切換需要考慮外部傳感器狀態(tài)的時(shí)候，就需要通過單片機(jī)相應(yīng)外部中斷的方式切換任務(wù)。但是，51單片機(jī)只是提供了兩個(gè)外部中斷，在實(shí)際的智能儀器中完全不夠用，只有擴(kuò)充中斷口。最常用的中斷擴(kuò)展芯片是8259A，其是一塊功能很強(qiáng)的肯編程中斷控制器，可將多個(gè)外部中斷請求連接在單片機(jī)的外部中斷請求引腳INTR，并且有多種工作方式和中斷優(yōu)先級排序機(jī)制。這樣處理勢必增加電路的成本和復(fù)雜度，對改造先有單片機(jī)任務(wù)機(jī)制的單片機(jī)控制系統(tǒng)是很不利的。

考慮到很多微型控制系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O端口并未全部利用，可以將剩余的I/O端口作為外部傳感器的狀態(tài)輸入端（單片機(jī)電源為+5V），同時(shí)讓傳感器輸出端通過反相器統(tǒng)一接在單片機(jī)的外部中斷請求引腳，任何一個(gè)傳感器都可以向單片機(jī)發(fā)出中斷請求。在中斷后，通過程序掃描輸入端口狀態(tài)，確定是哪一個(gè)設(shè)備要求中斷，從而切換到相應(yīng)的任務(wù)。在沒有中斷請求時(shí)，系統(tǒng)按任務(wù)的產(chǎn)生順序執(zhí)行。在此有二問題需要解決：

（1）若單片機(jī)I/O端口不多余時(shí)，怎樣處理多個(gè)中斷請求。采用多路編碼的方式可以緩解單片機(jī)端口不足的問題。例如芯片74LS148，是一塊8-3編碼器，完成八路信號編碼到三位二進(jìn)制信號，只要將三位輸出信號端接入單片機(jī)I/O端口就可以通過程序判定八路外部中斷。其電路圖如圖二所示。以此類推，可以滿足更多傳感器或設(shè)備與單片機(jī)相連。

（2）外部中斷的優(yōu)先級如何處理。由于實(shí)際的微型控制系統(tǒng)中，單片機(jī)連接的外部設(shè)備比較固定，也即各外部設(shè)備中斷的優(yōu)先級比較固定，完全可以用較簡單的優(yōu)先級表法實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級的確定。只要在內(nèi)存中預(yù)置一片數(shù)據(jù)區(qū)，對應(yīng)表示外部設(shè)備的中斷優(yōu)先級，那么就可以通過檢查表的方式獲得優(yōu)先級別，從而判斷任務(wù)的切換方向。進(jìn)一步可以通過程序動(dòng)態(tài)的修改長期等待和長期運(yùn)行的任務(wù)對應(yīng)的優(yōu)先級，所有任務(wù)都有機(jī)會(huì)獲得CPU。

3二種策略的比較

上述第一種策略的主要特點(diǎn)是：各任務(wù)在任務(wù)調(diào)度程序控制下有條不紊的執(zhí)行，每個(gè)任務(wù)在給定的時(shí)間片內(nèi)完全占有CPU，可以完成既定子任務(wù)，同時(shí)又在時(shí)間片結(jié)束時(shí)讓出CPU，以便其他任務(wù)執(zhí)行。只要恰當(dāng)?shù)剡x取時(shí)間片，就可以很好地協(xié)調(diào)多個(gè)任務(wù)連續(xù)執(zhí)行，比較適合于批處理系統(tǒng)和任務(wù)既定控制系統(tǒng)。第二種策略的主要特點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性很好，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界交互，及時(shí)地調(diào)度相應(yīng)任務(wù)。因?yàn)?，在受外界影響很大的?shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，更多的需要考慮任務(wù)的優(yōu)先級和外部傳感器的狀態(tài)，使用外部中斷切換任務(wù)是比較理想的。而且使用了先中斷再查詢的策略，大大提高了查詢速度和準(zhǔn)確性，同時(shí)對多路控制也有較好的支持。

4結(jié)束

現(xiàn)在有單任務(wù)機(jī)制的51單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制，僅僅在升級軟件（即ROM芯片中程序的重新燒寫）和增加，更改少許硬件電路的條件下，就可以使控制系統(tǒng)支持多任務(wù)處理和控制，不僅升級成本低，而且大大延續(xù)系統(tǒng)的壽命和擴(kuò)充系統(tǒng)的功能，具有較高的使用價(jià)值。