51單片機(jī)多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)策略研究

李 鵬（西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712082）

51單片機(jī)多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)策略研究

李 鵬
（西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712082）

本文針對(duì)51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理這一問題，首先對(duì)該系列單片機(jī)多任務(wù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的原理和存在的主要問題進(jìn)行了研究，然后提出了兩種實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制的策略，最后對(duì)兩種策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)該型單片機(jī)的多任務(wù)機(jī)制研究有一定的借鑒意義。

51單片機(jī)；多任務(wù)機(jī)制；實(shí)現(xiàn)策略

1　多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理和存在問題

多任務(wù)機(jī)制就是在同一時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的機(jī)制，在多個(gè)處理器的系統(tǒng)內(nèi)，這樣的機(jī)制不難實(shí)現(xiàn)，但在只有一個(gè)處理器的控制系統(tǒng)內(nèi)，就勢必要求多個(gè)任務(wù)在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行快速的切換，所以這種情況下的多任務(wù)并不是真正意義上的同一時(shí)間內(nèi)處理多個(gè)任務(wù)，而是通過快速切換任務(wù)造成的錯(cuò)覺。多任務(wù)系統(tǒng)任務(wù)的切換策略可分為協(xié)同式和搶占式。協(xié)同式多任務(wù)系統(tǒng)，是指每個(gè)任務(wù)程序都可以釋放對(duì)CPU的控制權(quán)，也即可將對(duì)CPU的使用權(quán)切換給其它程序，通常分為顯式和隱式。在搶占式多任務(wù)系統(tǒng)是指各程序不能自主的釋放CPU的控制權(quán)，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一行使CPU的控制權(quán)，操作系統(tǒng)能夠從任何正在運(yùn)行的程序上取走控制權(quán)，并將控制權(quán)賦予另一個(gè)程序［1］。

51單片機(jī)只有一個(gè)執(zhí)行單元，這就意味著所有的程序只能按照?qǐng)?zhí)行單元的流程順序執(zhí)行，除中斷外，其它的程序必須逐一完成，所以中斷是進(jìn)行多任務(wù)機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵切入點(diǎn)，只有通過中斷的方式才能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的切換，應(yīng)該重點(diǎn)考慮解決以下幾個(gè)問題：一是并行任務(wù)的數(shù)量問題。51單片機(jī)的8個(gè)工作寄存器的地址可映射到0-3區(qū)的工作區(qū)內(nèi)，單片機(jī)可設(shè)置狀態(tài)寄存器的數(shù)值進(jìn)行工作區(qū)域的切換，所以多任務(wù)處理時(shí)的并行任務(wù)數(shù)量最大值不能超過4，這樣可以保證任務(wù)切換的時(shí)效性。二是任務(wù)切換的時(shí)間片分配方式。在多任務(wù)處理時(shí)對(duì)時(shí)間的分配方式是需要重點(diǎn)考慮的問題。可將時(shí)間的長度進(jìn)行固定和量化，需要運(yùn)行的各個(gè)任務(wù)含有不同時(shí)間長度的時(shí)間片段，每運(yùn)行一個(gè)任務(wù)的時(shí)間片段，其狀態(tài)寄存器中的時(shí)間片數(shù)相應(yīng)的減少1，直至所有的時(shí)間片數(shù)減少為0，在時(shí)間片內(nèi)任務(wù)不切換，在時(shí)間片段之間按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序完成，全部任務(wù)完成后重新賦值。三是不同任務(wù)性質(zhì)對(duì)應(yīng)的處理方式。針對(duì)不同的任務(wù)對(duì)時(shí)效性和重要性的要求，對(duì)時(shí)間敏感的任務(wù)或者等級(jí)較高的中斷賦予較高的優(yōu)先級(jí)，反之賦予較低的優(yōu)先級(jí)。

2　51單片機(jī)多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)策略

本文重點(diǎn)對(duì)兩種51單片機(jī)的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)策略進(jìn)行研究，并對(duì)兩種策略的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下：

（1）通過定時(shí)器分配時(shí)間片實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。51單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)定時(shí)器，用來進(jìn)行單片機(jī)的基準(zhǔn)授時(shí)，通過將兩個(gè)定時(shí)器輪流開啟和關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的定時(shí)，按照兩個(gè)定時(shí)器的位數(shù)均為16位來計(jì)算，在不增加外部計(jì)數(shù)器的情況下，可以實(shí)現(xiàn)1μs-4.29s的定時(shí)［2］，去除中斷和初始化占用的時(shí)間，實(shí)際可供使用的時(shí)間要比理論值稍小。但對(duì)于51單片機(jī)的多任務(wù)設(shè)置來說時(shí)間已經(jīng)足夠。將單片機(jī)的輸入輸出端口連接任務(wù)設(shè)備，通過將每個(gè)任務(wù)分配一定的時(shí)間片段，在該時(shí)間片內(nèi)占用使用權(quán)，對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制，多個(gè)任務(wù)通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)輪換執(zhí)行。程序的主流程圖如圖1所示。

（2）通過外部中斷掃描端口實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。在實(shí)際的應(yīng)用中，如果單片機(jī)的輸入輸出端口連接較多的外部設(shè)備，比如傳感器等，這時(shí)需要根據(jù)傳感器的狀態(tài)來進(jìn)行任務(wù)的切換，中斷響應(yīng)是比較合適的切換信號(hào)［3］。51系列的單片機(jī)只有兩個(gè)中斷端口，在實(shí)際的使用中經(jīng)常面臨不夠用的情況，所以需要增加外部的擴(kuò)展接口，常用的中斷擴(kuò)展芯片有很多，比較有代表性的型號(hào)是8259A，該型芯片的可編程性和擴(kuò)展性都很強(qiáng)，可將多個(gè)外部中斷連接至單片機(jī)的中斷請(qǐng)求引腳，這種擴(kuò)展中斷的方法帶來的問題是成本較高，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，相應(yīng)的故障率可能提高。在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮另外一種方法，將單片機(jī)的空閑IO端口進(jìn)行改造利用，作為傳感器的中斷請(qǐng)求引腳使用，單片機(jī)通過對(duì)端口的掃描，確定哪一個(gè)相應(yīng)的外設(shè)請(qǐng)求中斷，從而進(jìn)行任務(wù)的切換。當(dāng)沒有中斷請(qǐng)求時(shí)，控制系統(tǒng)按正常順序執(zhí)行。

圖1　通過定時(shí)器分配時(shí)間片段實(shí)現(xiàn)多任務(wù)輪換的程序流程

在通過掃描中斷狀態(tài)進(jìn)行多任務(wù)切換時(shí)，需要解決兩個(gè)問題：一是當(dāng)單片機(jī)閑置的I/O端口不能滿足中斷需求時(shí)，怎樣進(jìn)行處理。這時(shí)可以對(duì)外設(shè)的中斷需求進(jìn)行編碼，采用不同的編碼規(guī)則，對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行編碼后，每一個(gè)碼值對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷信號(hào)，將不同的編碼值輸入同一個(gè)端口就能解決這一問題。二是外部中斷的優(yōu)先級(jí)如何評(píng)判。這個(gè)問題在實(shí)際的應(yīng)用中，可以通過對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行賦值，不同的值表示不同的外部設(shè)備中斷的優(yōu)先級(jí)，中斷發(fā)生后通過對(duì)比中斷值和存儲(chǔ)區(qū)的預(yù)設(shè)值，就可以判斷中斷的優(yōu)先級(jí)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)連接的外部設(shè)備比較固定，外部設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)比較穩(wěn)定，所以可以使用這種優(yōu)先級(jí)表法進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的判定。

（3）二種策略特點(diǎn)的比較。上文所述的第一種策略是對(duì)每個(gè)任務(wù)分配固定的時(shí)間片段，各任務(wù)在控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元的統(tǒng)一調(diào)度下執(zhí)行任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在給定的時(shí)間片段內(nèi)完全占有CPU的使用權(quán)，其它程序不能中斷該任務(wù)的執(zhí)行，這種策略的優(yōu)點(diǎn)是程序的執(zhí)行可靠性高、系統(tǒng)穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)的效率不高，可能造成CPU的大量閑置，比較適合處理既定任務(wù)和批處理任務(wù)，不適合中斷較多的情況。第二種策略是擴(kuò)展性比較好、系統(tǒng)可以方便的與外設(shè)進(jìn)行交互，同時(shí)時(shí)效性比較高。這種策略可以應(yīng)用在對(duì)時(shí)效性要求高、外設(shè)中斷較多、情況比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，其缺點(diǎn)是造價(jià)較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不如第一種策略。

3　結(jié)束語

單片機(jī)的多任務(wù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的途徑有很多，既可以從單片機(jī)固有的功能進(jìn)行拓展來實(shí)現(xiàn)，也可以通過增加外設(shè)來實(shí)現(xiàn)，本文介紹的兩種實(shí)現(xiàn)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，希望對(duì)單片機(jī)的多任務(wù)機(jī)制研究有一定的參考價(jià)值。

［1］吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：58.

［2］王輝堂，顏?zhàn)杂拢愇乃G.一種基于C51的多任務(wù)機(jī)制及應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006（06）：45-48.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.224