時(shí)分多線程在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

    概要闡述了單片機(jī)中以時(shí)分輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)多線程的開(kāi)發(fā)模式，呈現(xiàn)了一種合理、有效的構(gòu)建方法，并以功能模塊結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)便于維護(hù)的系統(tǒng)框架。為日益復(fù)雜、多樣和實(shí)時(shí)要求更高的應(yīng)用項(xiàng)目，提供了一種易于設(shè)計(jì)和功能擴(kuò)充的解決方案。 

    引 言 
    

    隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)幾乎覆蓋了社會(huì)生活的各個(gè)角落，從消費(fèi)電子、通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、汽車(chē)到軍事等領(lǐng)域皆可覓其蹤影；而在硬件、軟件以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟的今天，其應(yīng)用形式正呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性。尤其是SoC、可配置內(nèi)核等性能的出現(xiàn)，其可裁剪性使系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本大大降低，減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作量，為單片機(jī)應(yīng)用提供了便利，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、更新?lián)Q代等應(yīng)用方面也備受青睞。 
     

    為適應(yīng)這些紛繁的應(yīng)用需求．本文就時(shí)分多線程技術(shù)在單片機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。該方法為構(gòu)建低成本、高效、便于維護(hù)的單片機(jī)系統(tǒng)提供了良好的體系框架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想。 

    1 時(shí)分多線程結(jié)構(gòu)應(yīng)用 
     

    通常，在單片機(jī)應(yīng)用的各種控制系統(tǒng)中，都或多或少地存在著諸如現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制量輸出、工作狀態(tài)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N同外設(shè)的交互過(guò)程；而各類(lèi)外設(shè)與Mcu的響應(yīng)速度不匹配，是制約系統(tǒng)整體性能的重要因素。面對(duì)這種交互瓶頸，運(yùn)用時(shí)分多線程架構(gòu)可獲得良好的效果。 
     

    特別是對(duì)于系統(tǒng)與外設(shè)頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的場(chǎng)合，能顯著提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。這里采用的是以時(shí)分輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)系統(tǒng)中的多任務(wù)控制目標(biāo)。 


    1．1 時(shí)分輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的多線程實(shí)現(xiàn) 
     

    時(shí)分輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法是以多個(gè)線程輪流占用cPu的執(zhí)行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在外設(shè)交互頻繁的應(yīng)用場(chǎng)合中，可有效地解決響應(yīng)速度不匹配所造成的CPU等待外設(shè)響應(yīng)的時(shí)間消耗問(wèn)題，從而提高M(jìn)CU運(yùn)算部件的利用率。 
     

    而在多線程的調(diào)度切換過(guò)程中，要對(duì)上一個(gè)線程的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，并為下一個(gè)線程做好準(zhǔn)備。就單片機(jī)系統(tǒng)而言，要嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)時(shí)多線程控制，會(huì)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(jī)構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)。它是以805l內(nèi)核為基礎(chǔ)的，沒(méi)有太多空間用于存放或保護(hù)任務(wù)切換時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(如程序指針、程序狀態(tài)字、累加器等)，也難于應(yīng)用搶占式實(shí)時(shí)任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)激勵(lì)機(jī)制，同時(shí)MCU速率也有限。 
     

    針對(duì)單片機(jī)存在的這些資源瓶頸，運(yùn)用時(shí)分輪轉(zhuǎn)算法作為多線程控制算法架構(gòu)，以非搶占式異步處理方法，在合理分配、運(yùn)用通用工作寄存器組的情況下，通過(guò)整合或細(xì)分功能模塊結(jié)構(gòu)，將控制程序劃分為各線程任務(wù)，以縮短CPU的閑置時(shí)間；并將每個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)間控制在時(shí)間片內(nèi)，以降低上下文切換的復(fù)雜度，從而降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。 


    1.2 多線程的管理策略及應(yīng)用 


    (1)時(shí)間片長(zhǎng)度 
     

    通過(guò)對(duì)控制功能、時(shí)序的合理組合，以時(shí)間片長(zhǎng)度劃分的程序片段，應(yīng)確保每個(gè)線程的執(zhí)行代碼段在“時(shí)間片”內(nèi)完成，以此降低線程任務(wù)的控制復(fù)雜度和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。具體實(shí)施原則詳見(jiàn)第2節(jié)。 


    (2)線程協(xié)調(diào)方式 
     

    通過(guò)設(shè)置標(biāo)識(shí)量，將各時(shí)間片內(nèi)的線程任務(wù)協(xié)調(diào)起來(lái)。例如，在鍵盤(pán)輸入中的消抖動(dòng)延時(shí)和鍵值冗余讀取、在A／D數(shù)據(jù)采集中的采樣觸發(fā)與數(shù)值讀取，以及SPI的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軌K，都可進(jìn)行任務(wù)線程的作業(yè)步驟細(xì)分。通過(guò)設(shè)置線程的階段標(biāo)識(shí)量，協(xié)調(diào)前后時(shí)間片的線程執(zhí)行步調(diào)。 


    (3)線程管理 
     

    在時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中，用任務(wù)號(hào)調(diào)度線程執(zhí)行次序。根據(jù)控制目標(biāo)、設(shè)備狀態(tài)以及當(dāng)前線程的執(zhí)行結(jié)果，選擇下一步將要執(zhí)行的任務(wù)號(hào)；而各任務(wù)線程執(zhí)行在主控循環(huán)程序中完成。也就是說(shuō)，把時(shí)間片驅(qū)動(dòng)以及任務(wù)調(diào)度與任務(wù)線程處理過(guò)程分開(kāi)，這樣有利于構(gòu)建靈活、高效的軟件框架結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力與可維護(hù)性。 
    

    在以C8051F005芯片構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了縮短時(shí)間片中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間，提高系統(tǒng)的中斷響應(yīng)能力，任務(wù)線程調(diào)度以及上下文切換控制在T2時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)，以事件發(fā)生標(biāo)識(shí)TstateChange和線程標(biāo)識(shí)TimeSlice進(jìn)行線程調(diào)度。TstateChange用于控制主控循環(huán)方向，TimeSlice則用于調(diào)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(gè)循環(huán)結(jié)束后都要使MCU進(jìn)入體眠狀態(tài)，并以時(shí)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(biāo)識(shí)量就是控制主控循環(huán)方向，以區(qū)分時(shí)間片任務(wù)線程調(diào)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 

    

 
    該體系框架優(yōu)點(diǎn)在于：可方便地構(gòu)建控制關(guān)系并行的多線程架構(gòu)；任務(wù)線程的執(zhí)行時(shí)間明確；同時(shí)對(duì)調(diào)整任務(wù)線程執(zhí)行時(shí)序、維護(hù)功能模塊提供了便利。 
     

    缺陷是：由于構(gòu)成的是非搶占式控制方式，在線程調(diào)度處理上不能確保時(shí)間關(guān)鍵的異步事件優(yōu)先執(zhí)行，這也是其器件內(nèi)核的固有缺陷。 




    2 確定時(shí)間片長(zhǎng)度 
     

    在統(tǒng)籌考慮任務(wù)線程段的代碼量、外設(shè)響應(yīng)、系統(tǒng)響應(yīng)性能以及線程切換的數(shù)據(jù)保護(hù)量后，確定以lOms作線程時(shí)間片的切換單位。主要考慮以下幾方面因素： 


    (1)任務(wù)線程段代碼量的大小 
     

    根據(jù)各功能模塊大小，依據(jù)相關(guān)性以及時(shí)序等邏輯關(guān)系，在考慮各功能模塊內(nèi)聚性、線程切換運(yùn)算量的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間)能在時(shí)間片內(nèi)完成，從而簡(jiǎn)化了控制模型，降低了多線程中上下文之間切換的復(fù)雜度。 
    

    例如處理鍵盤(pán)輸入，為實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入的消抖動(dòng)干擾、冗余讀取鍵值以及持續(xù)按鍵與點(diǎn)擊按鍵功能。通過(guò)設(shè)置若干標(biāo)識(shí)變量，細(xì)分鍵值處理線程的時(shí)序作業(yè)步驟，使每個(gè)作業(yè)執(zhí)行時(shí)間片小于lOms，從而適應(yīng)時(shí)鐘片調(diào)度的時(shí)間約束條件，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。 
     

    對(duì)按鍵的20～30ms防抖動(dòng)延時(shí)，可通過(guò)設(shè)置標(biāo)識(shí)量keydelay，在時(shí)間片中斷服務(wù)程序中進(jìn)行延時(shí)計(jì)數(shù)，而在主循環(huán)程序中就可進(jìn)行如下處理。 

    (2)外設(shè)響應(yīng) 
     

    在考慮MCU同各種外設(shè)交互的延時(shí)因素中，要綜合平衡外設(shè)延時(shí)時(shí)間、線程切換、時(shí)間片周期等因素對(duì)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(jù)轉(zhuǎn)換速率 
     

    對(duì)所讀溫度、功率值的采樣頻率，根據(jù)C8051F005的片上A／D轉(zhuǎn)換速率以及數(shù)字濾波處理的信號(hào)冗余讀數(shù)要求，兼顧時(shí)間片大小。 

    3 特別注意事項(xiàng) 
     

       ①時(shí)間片中斷T2應(yīng)設(shè)最高優(yōu)先級(jí)，以免其他中斷程序干擾時(shí)間片調(diào)度程序的實(shí)時(shí)性處理。
       ②中斷服務(wù)程序的調(diào)度算法應(yīng)盡量簡(jiǎn)短，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。
       ③注意堆棧操作的溢出控制。
       ④分配在時(shí)間片中的線程代碼段要有合理的組合與調(diào)度考慮，以均衡負(fù)擔(dān)CPU的時(shí)間片，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
       ⑤在初始化系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，確保線程狀態(tài)標(biāo)識(shí)的創(chuàng)建，以及時(shí)間片中斷T2的使能。
       ⑥慎重處理中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間，避免擠占線程時(shí)間片的正常處理，引起控制紊亂、系統(tǒng)崩潰。 

    結(jié)語(yǔ) 
   

    針對(duì)日益復(fù)雜、多樣、高實(shí)時(shí)要求的應(yīng)用項(xiàng)目，本文提供了一種易于設(shè)計(jì)、功能便于擴(kuò)充的解決方案。由此也啟示我們，采用正確、靈活的設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)，可有效提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)性能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力，降低開(kāi)發(fā)難度。 
     

    當(dāng)前，隨著IT業(yè)的硬件技術(shù)不斷提升，探求高效軟件方法同樣是不容忽視的問(wèn)題。雖然一些低效、存在速度瓶頸的程序問(wèn)題．會(huì)隨著時(shí)問(wèn)推移因硬件技術(shù)的提升而化解，但編寫(xiě)高效軟件是鍛煉、提升編程人員技術(shù)水平的途徑，有極強(qiáng)的技術(shù)性，需要有的放矢、長(zhǎng)期的代碼實(shí)踐，才能磨礪出編寫(xiě)高效代碼的技巧、方法和能力。在資源、設(shè)計(jì)成本、交貨時(shí)間允許的日常設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)行多重算法的優(yōu)劣選擇，而不要簡(jiǎn)單地使用頭腦中首位閃現(xiàn)的方案。