单片机系统中的多任务多线程机制的实现详解

首先要指出的是一点是，我们不是讨论嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）的设计。我们讨论的是，在不使用RTOS的控制系统中，如何体现多任务多线程机制的程序设计思想。
    一些嵌入式设备可以需要操作系统，例如掌上电脑、PDA、网络控制器等高性能的手持设备和移动设备。它们往往和无线通信、互联网访问和多媒体处理等复杂而强大的功能联系在一起；对CPU要求也很高，往往是以通用CPU为原型的各种高端嵌入式处理器。

    作为一个完整的操作系统，RTOS有一个可靠性很高的实时内核，将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包括起来，留给用户一个标准的应用程序接口（API）；根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU的时间，保证程序执行的实时性、可靠性。内核一般都能提供任务调度和中断服务等功能，部分高档商业化产品，如Windows XP Embedded，甚至支持32位地址空间、虚拟存储管理、多进程以及嵌入式操作系统中不多见的动态链接库（DLL）。对于这些RTOS来说，多任务实时处理不是件困难的事情。

     但更多的情况下，用户使用的是另一类CPU——微控制器，即单片机，往往是按照某一流程执行单一任务。出于成本和技术上的原因，这类软件开发多数还是基于处理器直接编写，没有选配实时多任务操作系统作为开发平台，也不需要将系统软件和应用软件分开处理。但是在实际应用中，有时也会面临同时处理多个并行任务的要求，这就需要安排一种运行机制，来模拟RTOS中的处理方法。

1 RTOS中的设计思想

单处理机多道程序系统具有如下特征：

①从宏观上看，几种程序“同时运行”。即它们先后开始了各自的运行，且均未结束。

②从微机上看，几道程序“交替执行”。对于单处理机系统而言，它们只能轮流地占用CPU。

    其实质是指几道程序在处理机中“交替执行”。我们按照现在常用的方法，把一道程序和一个任务对应，把任务中的每个分开的、独立执行的部分称之为线程。

    具体到RTOS来说，一方面，实时操作中的多任务引起的并发性和实时性，要求操作系统对资源分配具有更强的控制能力。通常的办法是采取设立前台与后台两个作业的分配办法。前台作业中包含实时采集、控制、处理有关的任务，任务优先级较高；后台作业一般是对数据进行分析、输出数据、响应操作员请求等任务，优先级较低。后台作业中与后台作业并非完全孤立的；后台作业所需数据由前台作业存储共享内存区内，作业之间通过共享存储区进行数据交换。

    另一方面，实时任务总是由某个事件发生或时间条件满足来激活。事件有两种：内部事件和外部事件。时间驱动也有两种：按绝对时间驱动和按相对时间驱动。内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一任务的启动，这个结果可能是数据满足一定条件，也可能是释放了某一资源；而最典型的实时任务是由外部事件驱动的。在实时系统中，外部事件发生有时是不可预测的，由外部事件驱动的任务一般是需要立即执行的任务，它的优先级最高。绝对时间驱动是指在某指定时刻执行的任务，也就是在自然时钟的绝对时间执行。相对时间驱动是指周期性执行的任务，总是相对上一次执行时间计时，执行时间间隔一定。除了周期性任务外，还有一些同步任务也可能由相对时间驱动，如等待某种条件到来。等待时间是编程设定的。相对时间可用计算机内部时钟或软件计时。

我们在实时设计当中，这两方面的问题都有所体现，所有的事件驱动和时间驱动都体现在设置相应的任务标识和线程标识。从后面的讨论中可以看出，当硬件环境一定时，依据这些标识，通过安排系统内中断响应方式和调整任务调度算法，可以有效解决多任务并行问题，因为系统的实时性主要取决于这两点。

2 多任务多线程机制的实现

    我们设计的对象是双通道和四通道测试的某型医用检验设备。每个通道可以置入样本，设置不同的测试项目，完成测试后输出不同的测试结果和附加的计算结果。

    常规的处理方法是这样的：和通道只能测试同一个项目，按统一步骤同步执行各任务的相同阶段，其处理示意如图1。为简化起见，我们用双通道进行说明。

    显然，这样做不仅会失去测试的灵活性，例如不能同时测量不项目，不过随意在不同通道中测试不同版本，即使有空余通道也不能在上一样本测试过程中启动下一样本的测试；而且还牺牲效率，浪费时间，因为要等每个阶段最慢的一个处理完才能进入下一阶段。这其实是单任务的多次简单重复，设计也容易。国内很多类似产品采用了这种方案，但我们放弃了。

    我们选择了安全并行的设计，即要求所有通道可以完全独立工作；任意启动和停止；彼此没有约速；时间上可以任意重叠；是几个独立的任务，如图2。

    这里我们把每一个启动通道进行测试的程序叫做一个任务，把各自任务下的每一个单独的、分开处理的程序段叫做一个线程，每个线程依靠自己的标识来识别。一个通道的测试任务可分为启动、设置、加样品、预温计时、加试剂与搅拌、通道轮流采样、数据处理和作图打印等多个线程。另外，有一个温度的实时监控独立线程，它的优先级要次于通道的测试采样。

      这些线程可分属于前台和后台两类：前台主要是一些中断的处理，例如两路温度的实时监控、每100ms内的各通道循环检测一遍、采用中断方式的键盘干预等；后台主要是扫描方式下响应操作员的按键请求、数据处理、图形显示、打印报告等内容。

    整个实现机制可以简单地概括如下：前台通过合理安排中断的响应和服务方式来对多个任务的实时线程进行处理；后台操作主要以循环方式扫描各个任务的线程标识，满足条件的线程被激活予以处理。

    限于篇幅，不可能详细介绍整个设计方案，在此只能给出各测试通道工作任务的前台和后台线程划分及流程，供参考。然后，给出一个中断退出后返回到任意地址的函数，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳转函数的使用要方便很多。实时任务中，中断服务结束后不是返回到断点地址执行原有程序，而是强制返回到某一地址执行新程序的情况非常普遍。我们采用设置环境变量的方法，使中断退出后可以任意返回到多个设置入口中的某一个去执行，有效地解决了前台和后台任务线程的灵活切换这一关键问题。我们使用的CPU是97C52，编程语言为Keil C51 6.0版。

    图3是主定时器中断服务，12C887提供中断请求信号至int0。12C887的三个中断触发服务中，温度扫描是独立线程，四次500ms“周期中断”（即每2s）后执行一遍；需要屏幕显示预温侄计时的时候使用“更新中断”，每秒一次，各测试任务，其倒计时线程依靠各自的标识启动和停止；“报警中断”需要时设置为每分钟1次，用于主菜单界面显示当前时间和长定时的返回。

    图4是CPU内部定时器0的中断服务，用于A/D转换。每个测试任务的A/D分为两个线程：检测试剂加入和测试剂样品的反应曲线，虽然都是通过对光学传感器和输出进行检测的，但处理方法完全不同，数据量也很不一样。定时器0设定为每100ms中断1次，因为要用高精度∑-Δ转换器件，CPU必须直接控制器件的整个转换过程，所以，要注意所有通道轮扫一遍A/D的时间不能超过100ms。

    图5为后台流程。后台程序依靠通道按键启动一个测试任务，然后进行该任务预处理，类似初始化的一些功能。如果这期间又启动别的任务，则未初始化完的先前任务中止。
   

初始化完成后进入多任务所属线程的循环处理阶段，其间可以随时由通道按键引起的中断来加入新的任务，每个线程的调度标识可以由相关的前台线程给出，也可来自相关的后台线程。配合Getadd()和Putadd()从中断强制返回某地此后，使用跳转语句到真正的目标地址。

最后给出强制返回程序代码（供参考）：

/*保存当前地址信息到环境变量JMPEnv[env1][]中，每个变量由三项组成，env1是二维下标参数*/

void getadd(unsigned char env1)

{unsigned char temp;

temp=SP;

JMPEnv[env1][0]=(*((unsigned char idata*)SP));

temp--;

JMPEnv[env1][1]=(*((unsigned char idata*)temp));

JMPEnv[env1][2]=SP-2；

}

/*置中断返回的任意跳转地址*/

void putadd(unsigned char env1)reentrant

{ unsigned char temp[15];char i;

/*下面保存进入中断程序时的压栈值*/

for(i=0,i<15;i++)

{temp[i]=(*((unsigned char idata*)SP));

SP--;

}

/*放置新地址*/

SP=JMPEnv[env1][2];SP++；

（*（（unsigned char idata*）SP）=JMPEnv[env1][1];SP++；

（*（（unsigned char idata*）SP））=JMPEnv[env1][0];

/*恢复中断开始时的那些压栈值*/

for(i=14;i>=0;i--)

{SP++;

(*((unsigned char idata*)SP))=temp[i];

}

}

/****************************************单片机中如何实现多线程

随着计算机的不断发展，越来越多的，优秀的编程思想被提出来，并付诸实践。在某些方面已出现了根本性的变革。另一方面，单片机自从80年代诞生以来，便以飞快的速度发展起来，但由于其物理条件的限制，单片机控制系统的编程仍然局限于经验的模式，很少应用那些新提出的高级语言的编程思想。如果将不断发展的编程思想与广泛应用的单片机控制系统结合起来，一定会大大促进单片机控制系统的进一步发展。使其更广泛的应用于各个方面。

在下面这个具体项目中，实际情况对系统有一些比较苛刻的要求。按照一般的单线程的控制方法已经无法满足实际需求。

对象M1开始动作17操作，即首先步进电机M1（正向）转动查找光电开关信号PS1；查到后执行两次‘过程1‘。过程1：向电机打出30拍。由表1可知该动作从C 段执行到 K段停止；

对象M2即步进电机M2等对象M1执行完动作17后执行动作23等。对象M3和对象M4 则在开始时同时启动，分别执行各自的动作。各个对象之间有的独立，有的相互关联。

整个项目需要控制16台步进电机，21个电磁阀，3个泵，1个直流电机，系统要求全部执行时间为6秒钟，系统要求步进电机以其最快的速度-----40us—60us打拍。如果以单线程的方式编程让一台电机转到位之后，再转其他电机。这样16台电机打一拍就需要640us---960us已经无法满足系统要求。这就需要使单片机并行控制多台电机运转。这种以并行的方式驱动各个电机同时启动可以在最短的时间将各个电机同时到位。在转动电机的同时还需要检测一些开关量已确定电机的位置。为了实现这个目的。下面提供第一种解决方案（此方案是常用的方案之一，但作者并不推荐这个方案。因为这个方案成本太高。）。

方案一： 硬件实现。

我们可以用多个CPU，将各个电机的控制分到不同的CPU中执行，并可将不互相冲突的电机控制过程放到一个CPU中。

系统中设定一个主CPU，其功能为与计算机通讯，并将计算机下达的指令分发给相应的从CPU，更主要的是主CPU将监控整个并行控制的运作。因为各个控制过程之间有的彼此关联，所以主CPU不仅要控制各个线程的执行，还要兼顾线程之间的通讯。以表1为例，具体作法如下：

1．开始后，主CPU发给从CPU1一个信号，从CPU启动对象M1进行动作17，并由从CPU向主CPU返回一个信号。主CPU收到信号后，置起标志1。当对象M1进行完动作17后，从CPU向主CPU发出信号，CPU将标志1清掉。

2．开始后，主CPU发给从M2一个信号，从CPU启动对象M2。从CPU向主CPU不断查询标志1。当标志1被清掉后，从//控制对象2执行动作23。

3．开始后，主CPU发给从CPU一个信号，从CPU启动对象M3和对象M4。执行动作25，然后开电磁阀6，然后延时1秒，关电磁阀6，执行动作24，然后执行动作26，等1的动作17完成后，启动步进电机20，执行动作25，等等。

如上所说， 主CPU设置了多个标志位用以跟踪各个线程的运行情况。并用这些标志位承担了各个相关线程之间的通讯。凡是线程运行到与其他线程相关的地方都会在主CPU内设置一个标志位以供其它相关线程查询。而那些不相关的线程可以完全独立运行。相关线程除了需检测标志的部分，其他部分也可独立运行。

这种多CPU控制的作法实现了单片机的并行运作方式。但多CPU的控制方案成本几乎是成倍提高，而且在硬件的基础上实现的多CPU之间的通讯花费时间稍长。并且容易有干扰。

方案二（作者推荐）： 另一种实现的方法是在软件的层面上模拟多cpu的运作。从而实现单片机的伪并行处理。这种实现方法借鉴了计算机实现多线程的编程方法。

多线程编程编程思想，即：同时给CPU分配了几个任务或线程。当然计算机 CPU实际上不可能同一时间做几件事，而是把时间分到不同的线程，使每个线程都有点进展。如果一个线程无法进行，比如线程要求的键盘输入尚未取得，则转入另一个线程的工作。通常，CPU在线程间的切换非常迅速，使人们感觉好象所有的线程是同时进行的。

多线程编程中有一个很重要的环节：各个线程之间的通讯与控制问题

在多线程编程中，每个线程都用编码提供线程的行为，用数据供给编码操作。多个线程同时处理同一编码和数据，不同线程可能各有不同的编码和数据。事实上，编码和数据部分是相当独立的，需要时即可向线程提供。因此经常是几个线程使用同一段编码和数据这就会出现下面的情况

当一个线程在调用数据时，另一个线程可能正在修改这些数据。则前一个线程所调用的数据出现了不确定性。这会影响整个运行结果。为了避免这个问题，多线程编程中，各个线程之间通讯和控制尤为重要。在将多线程的思想向单片机控制系统移植时，这点要非常注意。 因为系统多线程运作的实现从其最基本的层面看仍然是单线程的操作；他的实现归根结底是利用了计算机的高速度。它将系统运行的基准时间分成了许多时间片，将各个时间片分给不同的线程，如此一来在一个基准时间内各个线程全都向前行进了一步，然后运行下一个基准时间，周而复始。这样在用户层的角度看来，各个线程是同步进行的。只要速度够块，时间片的划分不会影响用户层面上的应用，这样就可以实现多线程的操作。近年来单片机速度的大幅度提升，这就使多线程思想向单片机控制系统的移植成为可能。

在整个项目中全部的输入信号共39个；同时并行查询的对象最多时有61个系统要求以步进电机最快的速度打拍。时间约40us---60us，为了保证步进电机打拍的稳定性和灵活性。我选用了DSP内部的一个定时器，定时时间为打拍时间的1/3—1/5。设定为10us中断。这个时间为整个系统运行的基准时间。在这段时间内，系统要查询一遍所有对象并向相应的步进电机打拍。在一些线程中还需要采样多次。换句话说，在这个系统时间内。所有线程都要向前行进一步。

就像计算机一样，将这个基准时间分为多个时间片。将各个时间片分给不同的线程，在这种情况下，各个线程的执行是间断的。这与用硬件模拟多线程有本质的不同。像这样既要应用各线程执行的间断性，又要保证各线程运行的连续性。这对软件的设计有了很高的要求，这同时也是单片机控制系统用软件模拟多线程方法中的难点之一，为了解决这个问题，可在个线程自带线程进度指示器用来标志线程的运行进度，即用一个变量记载线程的每一步。

系统设定线程进度指示器用来指引线程的连续运行，同时在一个中断中轮询所有对象。其编程结构大致如下：

时钟中断：

线程1：

线程进度标志：

1： ；

2： ；

3；

线程2：

线程进度标志：

1： ；

2： ；

。。。。。。。。