基于單片機(jī)系統(tǒng)中的多任務(wù)多線(xiàn)程機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
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(xiàn)通信、互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)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(xiàn)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)。
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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)程,每個(gè)線(xiàn)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(xiàn)程。另外,有一個(gè)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控獨(dú)立線(xiàn)程,它的優(yōu)先級(jí)要次于通道的測(cè)試采樣。
這些線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)程標(biāo)識(shí),滿(mǎn)足條件的線(xiàn)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(xiàn)程劃分及流程,供參考。然后,給出一個(gè)中斷退出后返回到任意地址的函數(shù),它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳轉(zhuǎn)函數(shù)的使用要方便很多。實(shí)時(shí)任務(wù)中,中斷服務(wù)結(jié)束后不是返回到斷點(diǎn)地址執(zhí)行原有程序,而是強(qiáng)制返回到某一地址執(zhí)行新程序的情況非常普遍。我們采用設(shè)置環(huán)境變量的方法,使中斷退出后可以任意返回到多個(gè)設(shè)置入口中的某一個(gè)去執(zhí)行,有效地解決了前臺(tái)和后臺(tái)任務(wù)線(xiàn)程的靈活切換這一關(guān)鍵問(wèn)題。我們使用的CPU是97C52,編程語(yǔ)言為Keil C51 6.0版。
圖3是主定時(shí)器中斷服務(wù),12C887提供中斷請(qǐng)求信號(hào)至int0。12C887的三個(gè)中斷觸發(fā)服務(wù)中,溫度掃描是獨(dú)立線(xiàn)程,四次500ms“周期中斷”(即每2s)后執(zhí)行一遍;需要屏幕顯示預(yù)溫侄計(jì)時(shí)的時(shí)候使用“更新中斷”,每秒一次,各測(cè)試任務(wù),其倒計(jì)時(shí)線(xiàn)程依靠各自的標(biāo)識(shí)啟動(dòng)和停止;“報(bào)警中斷”需要時(shí)設(shè)置為每分鐘1次,用于主菜單界面顯示當(dāng)前時(shí)間和長(zhǎng)定時(shí)的返回。
圖4是CPU內(nèi)部定時(shí)器0的中斷服務(wù),用于A/D轉(zhuǎn)換。每個(gè)測(cè)試任務(wù)的A/D分為兩個(gè)線(xiàn)程:檢測(cè)試劑加入和測(cè)試劑樣品的反應(yīng)曲線(xiàn),雖然都是通過(guò)對(duì)光學(xué)傳感器和輸出進(jìn)行檢測(cè)的,但處理方法完全不同,數(shù)據(jù)量也很不一樣。定時(shí)器0設(shè)定為每100ms中斷1次,因?yàn)橐酶呔取?Δ轉(zhuǎn)換器件,CPU必須直接控制器件的整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程,所以,要注意所有通道輪掃一遍A/D的時(shí)間不能超過(guò)100ms。
圖5為后臺(tái)流程。后臺(tái)程序依靠通道按鍵啟動(dòng)一個(gè)測(cè)試任務(wù),然后進(jìn)行該任務(wù)預(yù)處理,類(lèi)似初始化的一些功能。如果這期間又啟動(dòng)別的任務(wù),則未初始化完的先前任務(wù)中止。
初始化完成后進(jìn)入多任務(wù)所屬線(xiàn)程的循環(huán)處理階段,其間可以隨時(shí)由通道按鍵引起的中斷來(lái)加入新的任務(wù),每個(gè)線(xiàn)程的調(diào)度標(biāo)識(shí)可以由相關(guān)的前臺(tái)線(xiàn)程給出,也可來(lái)自相關(guān)的后臺(tái)線(xiàn)程。配合Getadd()和Putadd()從中斷強(qiáng)制返回某地此后,使用跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句到真正的目標(biāo)地址。
最后給出強(qiáng)制返回程序代碼(供參考):
/*保存當(dāng)前地址信息到環(huán)境變量JMPEnv[env1][]中,每個(gè)變量由三項(xiàng)組成,env1是二維下標(biāo)參數(shù)*/
void getadd(unsigned char env1)
{unsigned char temp;
temp=SP;
JMPEnv[env1][0]=(*((unsigned char idata*)SP));
temp--;
JMPEnv[env1][1]=(*((unsigned char idata*)temp));
JMPEnv[env1][2]=SP-2;
}
/*置中斷返回的任意跳轉(zhuǎn)地址*/
void putadd(unsigned char env1)reentrant
{ unsigned char temp[15];char i;
/*下面保存進(jìn)入中斷程序時(shí)的壓棧值*/
for(i=0,i15;i++)
{temp[i]=(*((unsigned char idata*)SP));
SP--;
}
/*放置新地址*/
SP=JMPEnv[env1][2];SP++;
(*((unsigned char idata*)SP)=JMPEnv[env1][1];SP++;
(*((unsigned char idata*)SP))=JMPEnv[env1][0];
/*恢復(fù)中斷開(kāi)始時(shí)的那些壓棧值*/
for(i=14;i>=0;i--)
{SP++;
(*((unsigned char idata*)SP))=temp[i];
}
}
評(píng)論