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隨著IT技術的飛速發展，單片機應用系統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，其應用形式正呈現多樣性和復雜性。尤其是SoC、可配置內核等性能的出現，其可裁剪性使系統設計成本大大降低，減小了系統設計工作量，為單片機應用提供了便利，在產品設計、更新換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中，都或多或少地存在著諸如現場數據采集、控制量輸出、工作狀態檢測以及數據傳輸等各種同外設的交互過程；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。 特別是對于系統與外設頻繁進行數據交互的場合，能顯著提升系統的實時響應能力。這里采用的是以時分輪轉調度算法實現在單片機系統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 時分輪轉調度算法是以多個線程輪流占用CPU的執行時間來實現的。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境進行保護，并為下一個線程做好準備。就單片機系統而言，要嚴格實現真正意義上的實時多線程控制，會受到容量、中斷源、指針等一系列系統資源的條件限制。 本文是以C8051F005單片機構建的應用系統。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場數據(如程序指針、程序狀態字、累加器等)，也難于應用搶占式實時任務切換的實現激勵機制，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。 (2)線程協調方式 通過設置標識量，將各時間片內的線程任務協調起來。例如，在鍵盤輸入中的消抖動延時和鍵值冗余讀取、在A／D數據采集中的采樣觸發與數值讀取，以及SPI的數據傳輸等功能塊，都可進行任務線程的作業步驟細分。通過設置線程的階段標識量，協調前后時間片的線程執行步調。 (3)線程管理 在時鐘中斷服務程序中，用任務號調度線程執行次序。根據控制目標、設備狀態以及當前線程的執行結果，選擇下一步將要執行的任務號；而各任務線程執行在主控循環程序中完成。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，提高系統的實時響應能力與可維護性。 在以C8051F005芯片構建的應用系統中，為了縮短時間片中斷服務程序的執行時間，提高系統的中斷響應能力，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，以事件發生標識TstateChange和線程標識TimeSlice進行線程調度。TstateChange用于控制主控循環方向，TimeSlice則用于調度就緒線程的執行次序。 為了降低系統功耗，提高系統可靠性，程序主控循環體在每個循環結束后都要使MCU進入體眠狀態，并以時間片T2中斷、其他異步中斷源或引腳觸發事件等喚醒MCU。而TstateChange狀態標識量就是控制主控循環方向，以區分時間片任務線程調度與非T2等的異步中斷事件。其主控循環流程如圖1所示，其線程控制可以用如下程序結構實現。 該體系框架優點在于：可方便地構建控制關系并行的多線程架構；任務線程的執行時間明確；同時對調整任務線程執行時序、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先執行，這也是其器件內核的固有缺陷。 2 確定時間片長度 在統籌考慮任務線程段的代碼量、外設響應、系統響應性能以及線程切換的數據保護量后，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，組成線程執行代碼段，以確保線程執行代碼段(包括中斷服務程序的執行時間)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，為實現鍵盤輸入的消抖動干擾、冗余讀取鍵值以及持續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步驟，使每個作業執行時間片小于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，而在主循環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整體綜合性能的影響，最大限度地提升CPU利用率。 (3)A／D數據轉換速率 對所讀溫度、功率值的采樣頻率，根據C8051F005的片上A／D轉換速率以及數字濾波處理的信號冗余讀數要求，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在初始化系統狀態時，確保線程狀態標識的創建，以及時間片中斷T2的使能。 ⑥慎重處理中斷服務程序執行時間，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，綜合運用現有技術，可有效提高單片機應用系統性能，擴大應用領域，增強實時控制能力，降低開發難度。 當前，隨著IT業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劣選擇，而不要簡單地使用頭腦中首位閃現的方案。 |
