摘　要：提出了一種嶄新的基于任務機制的單片機系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)，討論了具體實現(xiàn)方法，并給出應用實例。 關(guān)鍵詞：多任務機制　單片機系統(tǒng)　中斷機制 　　傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)監(jiān)控程序通常是基于單任務機制的。這種機制具有簡單直觀，易于控制的優(yōu)點。然而由于程序只能按單一的線索順序執(zhí)行，缺乏靈活性，在復雜系統(tǒng)中難以勝任。為了在更廣泛的領(lǐng)域應用單片機系統(tǒng)，必須對傳統(tǒng)的單任務機制進行改進。 　　多任務機制是現(xiàn)代操作系統(tǒng)才具有的突出優(yōu)點。在這種機制下，CPU的運行時間被劃分為許多小的時間片，由某種調(diào)度算法按不同優(yōu)先級別分配給不同的應用程序。多個應用程序分別在自已的時間片內(nèi)訪問CPU，從而造成微觀上輪流運行，宏觀上并發(fā)運行的多任務效果。 　　在單片機系統(tǒng)中引入多任務機制，可以有效改善程序結(jié)構(gòu)，滿足復雜系統(tǒng)的要求。任何多任務本質(zhì)上都借助于中斷機制。通用單片機中都允許使用中斷，從而保證了在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)多任務的切實可行。而單片機運算能力的有限要求多任務調(diào)度算法必須簡潔。 　　

1　兩種機制的比較 　　一個典型的單片機監(jiān)控系統(tǒng)通常包括輸入、輸出控制，數(shù)據(jù)處理，顯示以及鍵盤管理。在傳統(tǒng)的單任務機制下，程序采用循環(huán)方式，其流程圖如圖1所示。 　　由流程可知，在單任務機制下，各功能模塊按固定順序構(gòu)成一個整體，作為一個任務得到執(zhí)行。而在實際應用中，各個模塊要求的執(zhí)行頻率往往不一致，如輸入采樣頻率可能要求很高，而單位時間內(nèi)鍵盤掃描的次數(shù)則相對較少，系統(tǒng)這種復雜的定時要求在單任務機制下難以滿足。另外在這種結(jié)構(gòu)下程序一旦建立，各模塊的執(zhí)行順序即已固定，對于需在運行時動態(tài)改變執(zhí)行結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，程序需用許多條件判斷和分枝轉(zhuǎn)移語句進行控制，增加了程序的復雜性。程序作為一個整體而存在可讀性和可維護性很差，調(diào)試不便，對已有程序進行擴充，也需先了解整個程序結(jié)構(gòu)，增加了擴充難度。 　　考慮到單片機完成的系統(tǒng)功能往往可以分解為若干相對獨立的模塊，我們可以將這些模塊理解為子任務，并引進多任務機制進行管理，從而形成一種嶄新的程序結(jié)構(gòu)。其示意圖如圖2所示。 　　在這種結(jié)構(gòu)下，各功能模塊由系統(tǒng)調(diào)度程序啟動執(zhí)行完畢后返回系統(tǒng)調(diào)度程序，彼此處于等同地位，其執(zhí)行順序也比較靈活，且可在程序運行過程中動態(tài)地改變執(zhí)行結(jié)構(gòu)。各子任務的執(zhí)行頻率要求表現(xiàn)為它們的優(yōu)先級，優(yōu)先級越高的子任務單位時間內(nèi)執(zhí)行次數(shù)越多，從而其執(zhí)行頻率越高。各子任務在自已的時間片內(nèi)運行，通過合理設計時間片大小和各任務的優(yōu)先級，可以自然地滿足系統(tǒng)內(nèi)各種復雜的定時要求。 　　在多任務結(jié)構(gòu)下程序的調(diào)試與維護也變得容易。程序以分立模塊形式存在，各模塊間功能獨立，相互影響小，可以方便地單獨調(diào)試，并尋找問題所在。對程序的擴充更為方便，不用更改原有結(jié)構(gòu)，只需增加要擴充的部分即可。 　　

2　多任務機制的實現(xiàn) 　　利用單片機具有的內(nèi)部時鐘中斷，可以方便地實現(xiàn)多任務機制。下面以常用的MCS—51系列單片機為例，說明其實現(xiàn)方法。 　　由多任務機制的特點，必須提供一個系統(tǒng)時鐘，根據(jù)系統(tǒng)時鐘將CPU運行時間劃分為若干時間片，由系統(tǒng)調(diào)度程序分給各個任務模塊。我們可由MCS—51系統(tǒng)單片機內(nèi)帶的定時器完成這一工作。定時參數(shù)的選擇應考慮到系統(tǒng)中各種定時要求，定時頻率一般應設計為各模塊要求執(zhí)行頻率的整數(shù)倍頻。 　　為了實現(xiàn)多任務，還需構(gòu)造一個任務調(diào)度表并維護一個系統(tǒng)任務指針。任務調(diào)度表每一表項占4個字節(jié)，保存各任務模塊的入口地址和訪問計數(shù)器，表項數(shù)等于需調(diào)度的任務模塊數(shù)。任務調(diào)度表指示了各任務的執(zhí)行順序和優(yōu)先級別。在程序建立時可在程序存儲器中建立一份缺省的任務調(diào)試表并在程序運行初始化時調(diào)入系統(tǒng)RAM中，在程序運行期間可根據(jù)實際需要修改RAM中的任務調(diào)度表，使各任務的執(zhí)行順序和優(yōu)先級別得到動態(tài)調(diào)整。系統(tǒng)任務指針為一個1字節(jié)整數(shù)，指向系統(tǒng)當前正執(zhí)行的任務。由任務指針和任務調(diào)度表表頭可以找到相應的任務程序入口地址。 　　多任務機制的具體實現(xiàn)由調(diào)度程序完成。調(diào)度程序在每個時鐘片的開始取得控制，它將系統(tǒng)任務指針加4，使之指向下一個任務模塊，并根據(jù)新的任務指針查閱任務調(diào)度表，將任務的訪問計數(shù)器減一，看是否為零。不為零則直接返回；為零則將當前任務入口地址讀入DPTR寄存器，用JMP @A DPTR指令轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應的任務模塊。各任務模塊執(zhí)行完畢將相應訪問計數(shù)器置成初值，供調(diào)度程序下一次使用。任務指針到達調(diào)試表未尾時，由任務調(diào)度程序?qū)⑵鋸臀唬怪赶蛉蝿照{(diào)度表開頭，重新開始程序周期。 　　由上述實現(xiàn)方案可知，各任務模塊在時鐘中斷程序中執(zhí)行，這可很好地滿足各任務模塊對執(zhí)行頻率的要求。但考慮到單片機調(diào)度能力有限的特點，為各個任務模塊分配的時間片比實際所需可能尚有富余，而各任務模塊作為時鐘中斷例程執(zhí)行完畢都返回到主程序。因此可將某些對執(zhí)行頻率無要求的任務模塊放入主程序運行，從而充分利用各時間片內(nèi)的富余時間，提高程序運行效率。 　　實現(xiàn)多任務的關(guān)鍵在于合理地將系統(tǒng)功能分解為各個任務模塊。一般可將程序分為輸入、輸出、數(shù)據(jù)處理、顯示、鍵盤掃描等任務模塊。分解系統(tǒng)功能應注意以下幾個問題： 　　(1)各個任務模塊需盡量短小精悍，在系統(tǒng)時間片內(nèi)應能充分行到執(zhí)行。在設計任務模塊時應盡量將其中的延時要求轉(zhuǎn)化為對模塊執(zhí)行頻率的要求。如在動態(tài)顯示模塊設計中每位顯示間要求有1-2ms左右的延時來保證顯示穩(wěn)定，若采用一次將所有位全部顯示一遍的方案，顯示模塊將變得冗長，不適宜在中斷程序中執(zhí)行。我們可以采用一次只顯示一位的方法，這樣的顯示模塊由于沒有延時而得到精簡，位顯之間的延時時間可由模塊執(zhí)行頻率來決定?！　?2)在設計中若不可避免出現(xiàn)某一任務模塊過長而不能在系統(tǒng)時間片內(nèi)執(zhí)行完畢的情況，可由下列兩種方法解決： 　　第一種方法是若此模塊無執(zhí)行頻率的要求和時間上的嚴格限制，可將其放入主程序，充分利用各時間片的富余時間執(zhí)行。 　　第二種方法是在進入該任務模塊時將系統(tǒng)時鐘停止，這樣相當于臨時給此模塊分配了附加運行時間。在模塊執(zhí)行完畢時應重新打開系統(tǒng)時鐘，使多任務調(diào)度程序能正常工作。 　　(3)各任務模塊在功能上應盡量相互獨立，以保證程序調(diào)試和維護的方便。 　　(4)若某些模塊必須相互配合工作，可以采用公共單元進行通信，保持同步。 　　綜上所述，在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)多任務機制，要借助于時鐘中斷。由定時器產(chǎn)生系統(tǒng)時間片，由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)r間片分配給各任務模塊。合理設計各任務模塊可充分發(fā)揮多任務機制的優(yōu)越性。 　　

3　應用實例 　　利用單片機AT89C51設計一個應用系統(tǒng)。要求系統(tǒng)同時接受兩個通道的數(shù)據(jù)輸入，一個通道每10ms采集一次，用于顯示和打印，另一通道每2ms采集一次，用于監(jiān)控；顯示采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示方式；系統(tǒng)要求配有鍵盤接受用戶命令；系統(tǒng)要求每隔10s自動打印一次結(jié)果，打印程序應支持兩種不同型號的打印機(由用戶通過鍵盤選擇)。 　　由前述實現(xiàn)方案，可如下設計各任務模塊： 　　首先應提供兩個輸入模塊，其執(zhí)行頻率分別為1次/10ms和1次/2ms，可分別記為I1，I2模塊。 　　由于采用動態(tài)顯示方案，設計顯示模塊為每次顯示一位。為保持顯示穩(wěn)定，每兩位顯示之間需間隔一定時間，這里定為2ms。即要求顯示模塊的執(zhí)行頻率為1次/2ms。顯示模塊記為D模塊。 　　鍵盤掃描的去抖延時時間定為50ms，因此鍵盤管理模塊的執(zhí)行頻率為1次/50ms。鍵盤管理模塊記為K模塊。 　　系統(tǒng)要求提供打印功能，因此還需設計打印模塊，其執(zhí)行頻率為1次/10s。由于要支持兩種不同的打印機，應設計兩個打印模塊提供服務，分別記為P1，P2模塊。 　　此外系統(tǒng)還應有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序及其它相關(guān)功能模塊。由于這些功能模塊并沒有嚴格的時間限制，可以放入主程序中執(zhí)行，不參與多任務調(diào)度。 　　由上述分析可知，系統(tǒng)要求同時調(diào)度5個任務模塊(P1與P2并不同時使用)，因此任務調(diào)度表設計為5個表項。系統(tǒng)要求的最高執(zhí)行頻率為1次/2ms，可將系統(tǒng)時間片長度設計為400μs。由此可計算出各任務模塊訪問計數(shù)器的值，如表1。 　　表1　　 模塊名 十進制計數(shù)值 16進制計數(shù)值 　　　　　　 I1　　　　 5 　　　　0005 　　　　　　 I2　　　　 1　　　　 0001 　 　　　　　 D　　　　 1 　　　　0001 　　　 　　　K　　　　 25　　　　0019 　　　　 P1，P2　　　　 5000　 　1388 　　若采用P1作為缺省打印管理程序，則可建立缺省的任務調(diào)度表如表2所示。 　　表2 　　I1入口 I2入口 D入口 K入口 P1入口 　　　　　　 0005　 0001　 0001 0019 1388 　　任務調(diào)度程序可如下編寫： 　　…… mov　 a,pointer　　;pointer為當前任務指針 　　　　 add　 a,#tasktbl;tasktbl為任務調(diào)度表首址 　　　　 add　 a,#02h;指向訪問計數(shù)器 　　　　 mov　 r0,a 　　　　 mov　 a,@r0;訪問計數(shù)器值減一 　　　　 clr　 c 　　　　 subb　a,#01h 　　　　 mov　 b,a 　　　　 inc　 r 0 　　　　 mov　 a,@r 0 　　　　 subb　a,#00h 　　　　 jnz　exit　　　　　　;不為零則返回