時分多線程在單片機系統(tǒng)中的應用研究

摘要：概要闡述了單片機中以時分輪轉調度算法實現(xiàn)多線程的開發(fā)模式，呈現(xiàn)了一種合理、有效的構建方法，并以功能模塊結構提供了一個便于維護的系統(tǒng)框架。為日益復雜、多樣和實時要求更高的應用項目，提供了一種易于設計和功能擴充的解決方案。
關鍵詞： 多線程  單月機  時分 


引 言
    隨著IT技術的飛速發(fā)展，單片機應用系統(tǒng)幾乎覆蓋了社會生活的各個角落，從消費電子、通信網絡、工業(yè)控制、汽車到軍事等領域皆可覓其蹤影；而在硬件、軟件以及網絡技術日益成熟的今天，其應用形式正呈現(xiàn)多樣性和復雜性。尤其是SoC、可配置內核等性能的出現(xiàn)，其可裁剪性使系統(tǒng)設計成本大大降低，減小了系統(tǒng)設計工作量，為單片機應用提供了便利，在產品設計、更新?lián)Q代等應用方面也備受青睞。
    為適應這些紛繁的應用需求．本文就時分多線程技術在單片機中的應用進行了介紹。該方法為構建低成本、高效、便于維護的單片機系統(tǒng)提供了良好的體系框架結構和設計思想。


1 時分多線程結構應用
    通常，在單片機應用的各種控制系統(tǒng)中，都或多或少地存在著諸如現(xiàn)場數(shù)據采集、控制量輸出、工作狀態(tài)檢測以及數(shù)據傳輸?shù)雀鞣N同外設的交互過程；而各類外設與Mcu的響應速度不匹配，是制約系統(tǒng)整體性能的重要因素。面對這種交互瓶頸，運用時分多線程架構可獲得良好的效果。
    特別是對于系統(tǒng)與外設頻繁進行數(shù)據交互的場合，能顯著提升系統(tǒng)的實時響應能力。這里采用的是以時分輪轉調度算法實現(xiàn)在單片機系統(tǒng)中的多任務控制目標。
1．1 時分輪轉調度算法的多線程實現(xiàn)
    時分輪轉調度算法是以多個線程輪流占用cPu的執(zhí)行時間來實現(xiàn)的。在外設交互頻繁的應用場合中，可有效地解決響應速度不匹配所造成的CPU等待外設響應的時間消耗問題，從而提高MCU運算部件的利用率。
    而在多線程的調度切換過程中，要對上一個線程的運行環(huán)境進行保護，并為下一個線程做好準備。就單片機系統(tǒng)而言，要嚴格實現(xiàn)真正意義上的實時多線程控制，會受到容量、中斷源、指針等一系列系統(tǒng)資源的條件限制。
    本文是以C8051F005單片機構建的應用系統(tǒng)。它是以805l內核為基礎的，沒有太多空間用于存放或保護任務切換時的現(xiàn)場數(shù)據(如程序指針、程序狀態(tài)字、累加器等)，也難于應用搶占式實時任務切換的實現(xiàn)激勵機制，同時MCU速率也有限。
    針對單片機存在的這些資源瓶頸，運用時分輪轉算法作為多線程控制算法架構，以非搶占式異步處理方法，在合理分配、運用通用工作寄存器組的情況下，通過整合或細分功能模塊結構，將控制程序劃分為各線程任務，以縮短CPU的閑置時間；并將每個線程的執(zhí)行時間控制在時間片內，以降低上下文切換的復雜度，從而降低開發(fā)風險。
1.2 多線程的管理策略及應用
(1)時間片長度
    通過對控制功能、時序的合理組合，以時間片長度劃分的程序片段，應確保每個線程的執(zhí)行代碼段在“時間片”內完成，以此降低線程任務的控制復雜度和設計風險。具體實施原則詳見第2節(jié)。
(2)線程協(xié)調方式
    通過設置標識量，將各時間片內的線程任務協(xié)調起來。例如，在鍵盤輸入中的消抖動延時和鍵值冗余讀取、在A／D數(shù)據采集中的采樣觸發(fā)與數(shù)值讀取，以及SPI的數(shù)據傳輸?shù)裙δ軌K，都可進行任務線程的作業(yè)步驟細分。通過設置線程的階段標識量，協(xié)調前后時間片的線程執(zhí)行步調。
(3)線程管理
    在時鐘中斷服務程序中，用任務號調度線程執(zhí)行次序。根據控制目標、設備狀態(tài)以及當前線程的執(zhí)行結果，選擇下一步將要執(zhí)行的任務號；而各任務線程執(zhí)行在主控循環(huán)程序中完成。也就是說，把時間片驅動以及任務調度與任務線程處理過程分開，這樣有利于構建靈活、高效的軟件框架結構，提高系統(tǒng)的實時響應能力與可維護性。
    在以C8051F005芯片構建的應用系統(tǒng)中，為了縮短時間片中斷服務程序的執(zhí)行時間，提高系統(tǒng)的中斷響應能力，任務線程調度以及上下文切換控制在T2時鐘中斷服務程序中實現(xiàn)，以事件發(fā)生標識TstateChange和線程標識TimeSlice進行線程調度。TstateChange用于控制主控循環(huán)方向，TimeSlice則用于調度就緒線程的執(zhí)行次序。
    為了降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)可靠性，程序主控循環(huán)體在每個循環(huán)結束后都要使MCU進入體眠狀態(tài)，并以時間片T2中斷、其他異步中斷源或引腳觸發(fā)事件等喚醒MCU。而TstateChange狀態(tài)標識量就是控制主控循環(huán)方向，以區(qū)分時間片任務線程調度與非T2等的異步中斷事件。其主控循環(huán)流程如圖1所示，其線程控制可以用如下程序結構實現(xiàn)。 

     
    該體系框架優(yōu)點在于：可方便地構建控制關系并行的多線程架構；任務線程的執(zhí)行時間明確；同時對調整任務線程執(zhí)行時序、維護功能模塊提供了便利。
    缺陷是：由于構成的是非搶占式控制方式，在線程調度處理上不能確保時間關鍵的異步事件優(yōu)先執(zhí)行，這也是其器件內核的固有缺陷。




2 確定時間片長度
    在統(tǒng)籌考慮任務線程段的代碼量、外設響應、系統(tǒng)響應性能以及線程切換的數(shù)據保護量后，確定以lOms作線程時間片的切換單位。主要考慮以下幾方面因素：
(1)任務線程段代碼量的大小
    根據各功能模塊大小，依據相關性以及時序等邏輯關系，在考慮各功能模塊內聚性、線程切換運算量的基礎上，進行模塊分解、合并，組成線程執(zhí)行代碼段，以確保線程執(zhí)行代碼段(包括中斷服務程序的執(zhí)行時間)能在時間片內完成，從而簡化了控制模型，降低了多線程中上下文之間切換的復雜度。
    例如處理鍵盤輸入，為實現(xiàn)鍵盤輸入的消抖動干擾、冗余讀取鍵值以及持續(xù)按鍵與點擊按鍵功能。通過設置若干標識變量，細分鍵值處理線程的時序作業(yè)步驟，使每個作業(yè)執(zhí)行時間片小于lOms，從而適應時鐘片調度的時間約束條件，降低設計風險。
    對按鍵的20～30ms防抖動延時，可通過設置標識量keydelay，在時間片中斷服務程序中進行延時計數(shù)，而在主循環(huán)程序中就可進行如下處理。


(2)外設響應
    在考慮MCU同各種外設交互的延時因素中，要綜合平衡外設延時時間、線程切換、時間片周期等因素對系統(tǒng)整體綜合性能的影響，最大限度地提升CPU利用率。
(3)A／D數(shù)據轉換速率
    對所讀溫度、功率值的采樣頻率，根據C8051F005的片上A／D轉換速率以及數(shù)字濾波處理的信號冗余讀數(shù)要求，兼顧時間片大小。


3 特別注意事項
    ①時間片中斷T2應設最高優(yōu)先級，以免其他中斷程序干擾時間片調度程序的實時性處理。
    ②中斷服務程序的調度算法應盡量簡短，提高系統(tǒng)的響應能力。
    ③注意堆棧操作的溢出控制。
    ④分配在時間片中的線程代碼段要有合理的組合與調度考慮，以均衡負擔CPU的時間片，降低設計風險。
    ⑤在初始化系統(tǒng)狀態(tài)時，確保線程狀態(tài)標識的創(chuàng)建，以及時間片中斷T2的使能。
    ⑥慎重處理中斷服務程序執(zhí)行時間，避免擠占線程時間片的正常處理，引起控制紊亂、系統(tǒng)崩潰。


結語
    針對日益復雜、多樣、高實時要求的應用項目，本文提供了一種易于設計、功能便于擴充的解決方案。由此也啟示我們，采用正確、靈活的設計方法，綜合運用現(xiàn)有技術，可有效提高單片機應用系統(tǒng)性能，擴大應用領域，增強實時控制能力，降低開發(fā)難度。
    當前，隨著IT業(yè)的硬件技術不斷提升，探求高效軟件方法同樣是不容忽視的問題。雖然一些低效、存在速度瓶頸的程序問題．會隨著時問推移因硬件技術的提升而化解，但編寫高效軟件是鍛煉、提升編程人員技術水平的途徑，有極強的技術性，需要有的放矢、長期的代碼實踐，才能磨礪出編寫高效代碼的技巧、方法和能力。在資源、設計成本、交貨時間允許的日常設計中，應進行多重算法的優(yōu)劣選擇，而不要簡單地使用頭腦中首位閃現(xiàn)的方案。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）