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隨著8051微控制器性能的不斷提高，使用多任務操作系統對單片機進行資源管理已成為當代開發的需要。由于受靜態鏈接的限制，8051系統的多任務開發需要處理代碼重入(reentrance)的問題。 為了實現重入，通常可以利用Keil C51的關鍵字reentrant，將函數聲明為重人類型。通過在重入堆棧分配局部變量，使函數具有可重入性；但該重入方案的實時性較差。 為提高多任務系統的實時性，本文介紹一種新方案——基于頁的多任務模型。 1 重入函數的原理與不足 當使用Kcil C51的關鍵字reentrant來指定函數屆性時，即得重入函數(reentrant function)。 1．1 重入函數的原理 重入函數的原理是Keil C編譯器建立一個軟件操作的重入堆棧。重入函數能自動為不同的調用者在重入堆棧中分配獨立局部變量，使函數具備重入性。 變量分配過程如圖l所示，函數人口首先申請存儲空間。函數返回前，必須將所申請的存儲空間歸還。變量分配和回收的位置都是重入堆棧的棧頂。 1.2 重入函數的不足 重入堆棧的最大缺點為效率低，Keil C51用戶手冊中已有明確記載。 由圖l可作以下分析：首先，每次使用局部變量都需要計算變量地址，大大降低了變量存取速度，也消耗了處理器時間；其次，因為重入堆棧是純軟件實現的，因此反復進行的堆棧操作使重入函數的實時性進一步惡化。 2 基于頁的多任務模型原理與實現 2．1 原理 解決函數重入的關鍵在于局部變量的分配，可以從8051存儲器類型的分析和選擇入手。 8051控制器能直接尋址的存儲器類型很豐富。在這些類型中，我們注意到了頁變量(pdata)及其與眾不同的特性。 (1)頁變量pdata 根據Intel公司的用戶手冊，805l的頁存儲器就是指單字節地址方式操作的外部存儲器。使用單字節地址方式時，允許使用P2對外部數據來分頁，該方式的操作指令為“MOVX@Ri”。指令中R0或R1提供頁內地址(低8位地址)，P2寄存器隱藏地提供頁地址(高8位地址)。 單字節地址方式將8051的64 KB外部存儲器分成256個頁面，如圖2所示。其硬件特征如下：①系統的256個頁面的存儲結構完全一致；②工作頁面可以被指定為這256頁中的任意一頁；③頁地址由P2隱式提供給地址總線，且頁地址可以由程序修改。 工具方面，Keil C51專用關鍵字pdata表示單字節方式尋址的外部數據類型，pdata變量即頁變量。編譯后的頁變量具有以下特性：①頁變量操作嚴格對應單字節地址方式；②頁變量全部轉換成了靜態頁內地址。 (2)頁函數 根據頁變量性質，只要函數的所有局部變量都被指定為頁變量類型，那么，函數所生成的代碼就可以工作于系統任一頁面上。 當操作系統為一個函數分配多個頁面時，該函數與每一個頁面上的局部變量均構成一個進程。 與重入函數不同，這類函數本身不能自動分配變量，因此沒有重入性。只有在操作系統的協助下，為其分配工作頁后，頁函數才是可重入的。頁函數中變量使用靜態地址，因此其存取速度得到大幅提升，改善了系統的實時性。 為區別Keil C51定義的重入函數(reentrant func-tion)，我們稱這種只使用頁變量的函數為“基于頁的重入函數(page-based reentrant function)”，簡稱為“頁函數”。 2.2 實現 根據原理分析中的可行性，筆者設計了名為Celia的基于頁的占先式8051多任務調度內核。沿用μC／OS-II的結構框圖與處理流程，在TCB(Task Control Block，任務控制塊)中增加一個字節的頁面字段，并改寫了部分程序。有μC／OS-II為參照，使該調度內核的設計可以很快完成。經過在以W78P438為核心的平臺上實測，該系統調度正常，程序運行正確。這證明該重入方案可行。 3 基于頁的多任務模型性能分析 基于頁的多任務模型的程序結構與μC／OS-II基本一致，其區別主要是頁函數與重入函數的區別，因此，這里主要分析頁變量存取與重入堆棧變量存取的性能對比。 3.1 優點 (1)更高的變量存取帶寬 8051為8位總線接口，單字節存取是其基本操作。研究單字節變量的存取帶寬可以從根本上說明頁變量的優點。 805l系統操作外部存儲器使用的是MOVX指令。執行該指令需要2個機器周期。在標準8051中，1個機器周期為12／fOSC，則總線帶寬如式(1)所示。其中fOSC為晶振頻率。 如圖l，重入函數操作單字節變量i=0xaa，共需要15個機器周期。其中僅計算變量地址就需要12個機器周期。因此，重入堆棧的實際存取帶寬如式(2)所示。 相對地，頁函數中變量地址是確定的。因為不需要計算地址的額外操作，其變量操作速度比重入堆棧有大幅提高。如圖3所示，頁函數中操作單字節變量只需要4個機器周期。頁變最的實際存取帶寬如式(3)： 各種帶寬的對比如下： 進一步分析可知，操作多字節變量時，重入函數也只需要計算一次變量地址。故進行單字節變量存取時，重入堆棧的存取帶寬就是最低值。 綜上所述，相對重入堆棧，存取單字節變量過程中，頁函數的帶寬加速比達到最大值Rmax=3．75，如式(4)所示。這表示相對于過去的重入函數，頁函數具有更高的執行效率和實時性。 另外，如果頁函數不需要計算和操作重入堆棧指針，則不需要圖1中函數入口和出口處的指針操作(C?ADDXBP)，可再次節省22個(首尾各11)指令周期。 (2)較好的安全性 配置頁面的工作是由操作系統完成的。在使用基于頁的多任務開發中，任務本身不能更換頁面；因此，私有變量的操作只在當前頁進行，不會影響到其他頁或其他任務。這樣的程序封裝體現了較好的安全性。 3．2 存在問題與解決方法 (1)容量的限制 8051的硬件決定了頁面大小為256字節，不可變更。這使得“頁面容量限制”成為基于頁的多任務開發中最需要考慮的問題。 存儲器的一頁為256字節，與最小模式下8051的內部數據空間(IDATA空間)大小相同。因此，筆者認為頁變量的256字節能滿足最小模式任務的需要。 對于需求超過256字節的任務，可在頁面外的外部存儲器中申請后備空間。只要指向后備空間的指針在頁面內，則該后備空間仍是私有的，滿足重入條件，其結構示意圖如圖4所示。雖然后備存取區使用指針操作，但不需要計算變量地址，因此后備存儲區存取速度優于重入堆棧。 (2)工具的限制 目前，Keil C51開發工具不提供多任務以及多頁面支持。這主要體現在兩點： ①需要新的函數庫。現有的大量函數庫不支持頁函數方式重入。準確地說，大部分函數庫不支持任何方式的重入——即使使用重入堆棧，函數庫問題也依然存在。目前的解決方法只有程序員根據需要編寫新的頁函數庫。 ②一個項目中只允許存在一個pdata頁面，不能按任務將變量安排在不同的邏輯頁面上。其后果是，多任務開發中，編譯鏈接工具只在同一個頁面中分配所有任務的頁變量，導致存儲器迅速溢出。 問題②的解決方案是：為使每個任務具有自己的工作頁，為每個任務單獨建立工程，并使用COMPACT方式進行編譯。各個任務工程之間和操作系統之間使用絕對地址表傳遞系統調用和任務入口地址。絕對地址表是對一些系統調用的約定地址。 這些不便之處是暫時的、可克服的。 結語 8051主要應用領域為實時控制，因此努力提高系統實時性是開發者不斷追求的目標。筆者從提高實時性的角度出發，提出了一種基于頁的多任務模型。相對于目前重入堆棧多任務模型，它具有較好的實時性，也是處理重入問題的一種新思路。 本模型已經過Keil C5l仿真工具的一般性測試，并在W78P438芯片上實測成功，相信其結果適用于全部8051及兼容系列。考慮到8051依然廣泛應用在多任務開發中，本文中的新模型值得推廣。 |
