基于51單片機的多任務(wù)機制及應(yīng)用

1 引言

傳統(tǒng)的單片機程序一般采用單任務(wù)機制，單任務(wù)系統(tǒng)具有簡單直觀、易于控制的優(yōu)點。然而由于程序只能按順序依次執(zhí)行，缺乏靈活性，只能使用中斷函數(shù)實時地處理一些較短的任務(wù)，在較復(fù)雜的應(yīng)用中使用極為不便。嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這個問題。在多任務(wù)系統(tǒng)中可以同時執(zhí)行多個并行任務(wù)，任務(wù)之間可以相互跳轉(zhuǎn)。但是嵌入式操作系統(tǒng)在提供強大功能的同時，也帶來了代碼量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對硬件要求較高、開發(fā)難度大且成本高等問題。而很多時候只需要實現(xiàn)簡單的多任務(wù)操作就可以滿足實際需要，本文設(shè)計的這種簡單的多任務(wù)機制，在只增加極少量C語言代碼的前提下，不需使用匯編，無需對原本的程序進行大改動，就可以實現(xiàn)多任務(wù)操作。

實時操作系統(tǒng)RTOS的核心是中斷，利用中斷進行任務(wù)切換。在大部分RTOS如μC/OS-II中，每個任務(wù)都有自己的堆棧，用來保存任務(wù)的一些信息，任務(wù)之間通過信號量、郵箱、消息隊列等傳遞信息。在很多情況下并不需要這些功能，只需要使單片機在接收到控制信號后，切換到不同的工作狀態(tài)，也就是只要進行任務(wù)切換，不需要保存任務(wù)的相關(guān)信息。舍棄這些復(fù)雜的功能可以使程序結(jié)構(gòu)變得簡潔易用。

2 兩種機制在應(yīng)用實例中的比較

下面用一個應(yīng)用實例來說明本設(shè)計的思路。要設(shè)計一個智能安防系統(tǒng)，它的功能包括：當(dāng)有人入侵時執(zhí)行報警工作；用戶可以通過鍵盤板進行功能設(shè)置；主板能與管理中心進行通訊，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等災(zāi)情時，管理中心能通知用戶。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。平時狀態(tài)下，主板的CPU不斷地掃描各個傳感器的狀態(tài)。當(dāng)檢測到傳感器的異常信號（有人闖入）時，CPU進入入侵報警狀態(tài)，執(zhí)行響警鈴、撥打戶主電話、通知管理中心等工作。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)地震時，管理中心發(fā)送一個串口代碼給主板CPU，使CPU進入災(zāi)難報警狀態(tài)，執(zhí)行響警鈴、語音報警等操作。用戶需要進行功能設(shè)置時可以通過鍵盤板使主板CPU進入功能設(shè)置狀態(tài)。因此主板的CPU有4種不同的工作狀態(tài)。



圖1 智能安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如果采用單任務(wù)機制, 主板的程序流程如圖2所示。在主函數(shù)中循環(huán)檢測傳感器狀態(tài),如有異常則調(diào)用報警函數(shù)，災(zāi)難報警和功能設(shè)置在串口中斷中完成。這種單任務(wù)結(jié)構(gòu)有兩個缺點。首先，在各種非平時狀態(tài)中，程序需要不停地檢測是否收到撤除信號，這個要求在程序代碼量大、執(zhí)行工作較多的情況下很難實現(xiàn)。其次，各狀態(tài)之間的切換十分困難，用C語言寫的程序為求模塊化，一般函數(shù)數(shù)量較多，函數(shù)調(diào)用的嵌套層數(shù)也多，要從一個較深的嵌套立刻跳出到主函數(shù)，是非常困難的。一般的解決方法或是使用C51的庫函數(shù)setjmp()和longjmp()實現(xiàn)長跳轉(zhuǎn)，但是這兩個函數(shù)在中斷函數(shù)內(nèi)部是無能為力的；再或是在C函數(shù)中嵌入?yún)R編指令。雖然用匯編指令可以實現(xiàn)程序的長距離跳轉(zhuǎn)，但是這種方法的調(diào)試過程十分煩瑣，而且程序的可移植性差。對于習(xí)慣用C51編程而不想用匯編的設(shè)計者，該部分程序是一個難題。



圖2 單任務(wù)機制程序流程

3 實現(xiàn)多任務(wù)機制的程序結(jié)構(gòu)
本文提供了一種方法，可以在完全不使用匯編指令的前提下實現(xiàn)可移植性強的多任務(wù)程序，程序流程如圖3所示。


圖3 多任務(wù)結(jié)構(gòu)程序流程

實現(xiàn)這個多任務(wù)機制的完整源代碼如下：

word idata PC_Value, SP_Value；//儲存中斷返回點、SP初值的全局變量

byte idata Ctrl_Code;　//控制任務(wù)切換的全局變量，在中斷函數(shù)里被賦值

void main()

{

Initial(); 　//初始化函數(shù)，與程序結(jié)構(gòu)無關(guān)

SP_Value=SP;//獲取ＳＰ的初始值

PC_Value=Get_Next_PC();//獲取下一條指令的地址

EA=1;//獲取PC、SP初值后再開中斷保證穩(wěn)定性

if(Ctrl_Code!=0)

SP=SP_Value;//重置堆棧指針，防止堆棧溢出

switch( Ctrl_Code)//任務(wù)入口地址，即中斷的返回點

{

case 1: goto　TASK1;

case 2: goto　TASK2;

case 3: goto　TASK3;

default:　break;

}

TASK1: for( ; ; )

　{ //任務(wù)1代碼 }

TASK2: for( ; ; )

　{　//任務(wù)2代碼 }

TASK3: for( ; ; )

　{ //任務(wù)2代碼}

}

word Get_Next_PC(void)；//獲取下一條指令的地址

{

?word address;

?address=*((unsigned char *)SP); //PC的高字節(jié)

?address <<= 8;

?address+=*((unsigned char *)(SP-1));　//PC的低字節(jié)

?return address+4;　//查看反匯編代碼，計算所得

}

void Chuan_Kou_Interrupt(void) interrupt 4 using 0

{

byte a1,a2;

a1=a1*a2;

*((unsigned char *)(SP-5))=PC_Value>>8;

*((unsigned char *)(SP-6))=PC_Value & 0x00ff;

{

//接收串口代碼并根據(jù)代碼修改Ctrl_Code的值

//其他操作

}

}

4 任務(wù)調(diào)度原理與實現(xiàn)

程序的整體思路是在主函數(shù)main中依次放置幾個死循環(huán)作為任務(wù)框架，即每個任務(wù)都是一個死循環(huán)，利用中斷進行任務(wù)切換。以剛才所說的安防系統(tǒng)為例，由于主板、鍵盤、管理中心之間是通過串口通訊的，因此串口是用來觸發(fā)任務(wù)切換的理想中斷源。程序為所有任務(wù)設(shè)置一個總?cè)肟诓⒎旁谥骱瘮?shù)中，串口中斷每次返回時必須先經(jīng)過這個總?cè)肟冢诳側(cè)肟谔帣z查任務(wù)控制變量（全局變量）的值，任務(wù)控制變量已在串口中斷中被賦值，其值決定要切換到哪個任務(wù)。

設(shè)計中可以把平時狀態(tài)、入侵報警狀態(tài)、危機報警狀態(tài)、功能設(shè)置狀態(tài)分別作為任務(wù)１、任務(wù)2、任務(wù)３、任務(wù)４。主板CPU平常工作在平時狀態(tài)，即任務(wù)１；當(dāng)串口收到管理中心的危機代碼，在串口中斷函數(shù)中令Ctrl_Code = 3，中斷返回后會切換到任務(wù)3；同樣，接收到鍵盤的功能設(shè)置代碼后，會切換到任務(wù)4；由于入侵檢測是由主板CPU自己負責(zé)，因此如果檢測到有人入侵需要切換到入侵報警狀態(tài)時，可以借由鍵盤中轉(zhuǎn)產(chǎn)生串口中斷，即向鍵盤發(fā)送一串口數(shù)據(jù)并要求鍵盤回送。這樣就實現(xiàn)了各個狀態(tài)的切換。

實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度需要解決3個關(guān)鍵問題：

① 獲取任務(wù)入口點的程序地址。由于使用C語言不能直接獲取和修改程序計數(shù)器PC的值，而在調(diào)用函數(shù)時會將PC值入棧，利用這個特點在任務(wù)入口處之前調(diào)用Get_Next_PC函數(shù)即可從堆棧中獲得入口地址。Get_Next_PC中，SP為堆棧指針，得到的PC值要加4才是任務(wù)入口地址，因為查看反匯編窗口可知，將函數(shù)返回值傳給全局變量PC_Value需要兩條2字節(jié)長的mov指令。

② 修改中斷返回地址。修改中斷返回地址的操作與獲取PC值類似，都是通過修改堆棧中的內(nèi)容實現(xiàn)。但是由于編譯器自身的特點，在進入中斷時，編譯器除了把返回地址入棧外，還會計算自身及它所調(diào)用的函數(shù)對寄存器ACC、 B、 DPH、 DPL、 PSW、 R0 ～ R7的改變，并將它認為被改變了的寄存器也入棧保護。如果堆棧結(jié)構(gòu)會隨中斷函數(shù)內(nèi)容改變而變化，就沒辦法計算中斷返回地址堆棧中的位置。解決方法是，在中斷函數(shù)定義時加上關(guān)鍵字using 0 告訴編譯器中斷函數(shù)及其調(diào)用的函數(shù)將使用寄存器組0，這樣工作寄存器R0～R7將不會被保存。ACC、PSW、DPH、DPL在對PC_Value操作時已經(jīng)用到，在中斷函數(shù)開頭定義兩個變量a1、b1并令它們相乘，使B寄存器也被入棧，這樣堆棧的結(jié)構(gòu)就是固定的了。

　③防止堆棧溢出。由于在調(diào)用函數(shù)時編譯器會將當(dāng)前地址入棧，返回時再出棧，當(dāng)任務(wù)切換即中斷多次發(fā)生在函數(shù)調(diào)用過程中時，堆棧會因為只入不出而最終導(dǎo)致溢出。這是不能容許的。因此，應(yīng)在主函數(shù)開頭初始化后立刻將ＳＰ值保存，再在每次任務(wù)切換后都將ＳＰ恢復(fù)為初值，這可以有效防止堆棧溢出。

5 結(jié)語

根據(jù)以上的比較與分析可以看出這種實現(xiàn)多任務(wù)機制的方法具有如下優(yōu)點：與采用單任務(wù)機制的程序相比，其結(jié)構(gòu)簡單清晰，易于控制；利用中斷和堆棧實現(xiàn)任務(wù)切換時的長跳轉(zhuǎn)，完全不需使用匯編語言，可移植性強；增加的代碼量極小，實時性好，節(jié)省程序開發(fā)時間。

以上介紹的方法已經(jīng)通過測試并應(yīng)用于幾個實際項目中，包括智能小區(qū)安防系統(tǒng)、汽車CAN總線控制系統(tǒng)等，取得了良好效果。只要根據(jù)具體的硬件與編譯環(huán)境稍作修改，亦可應(yīng)用于其他的單片機系統(tǒng)中。