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单片机多任务的时间片方式实现

作者:时间:2013-07-22来源:网络收藏

引言
由于具有价格低、运行要求低、易于开发、稳定可靠等优点,广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。但是,的位数少、频率低、内存小、I/O口少等缺点限制了其加载操作系统的可能。因此,不能像ARM等较高性能的处理器一样,利用加载的操作系统管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等功能。
但是,我们可以根据单片机所拥有的内存大小、CPU频率等因素,来为单片机量身定做一个小型的操作系统,以单片机的多运行。

1 微机
微机实现多一般是由加载的操作系统来实现的。通过操作系统提供的函数来创建多进程或者多线程来实现多任务。由于多进程耗费的资源多,而多线程的开销相对小的多,因此我们采用单片机模仿多线程的方式来实现。
操作系统创建多个线程后,将管理各个线程占用CPU的。操作系统以轮换方式向线程提供CPU片,从而使多个线程看起来是同时运行的,而不是等待一个线程执行结束后再去执行下一个线程。
PC(Program Counter,程序计数器)是用于存放下一条指令地址的地方。某个线程正在占用CPU,其实是PC值指向该线程所占的内存,并正在逐条取到CPU寄存器中进行运算。该时间片结束后,PC值要指向下一个线程所占用的内存中,进行类似的运算。其他线程都轮流一遍后,将又回到原来那个线程暂停的位置继续运算。所以,从一个线程转换到另外一个线程去执行时,要保存此线程的“现场”,包括此线程下一条指令的位置(PC值)、此线程所使用的各个寄存器值等。当此线程又拥有CPU时间时,将保存的PC值赋给PC寄存器,保存的各个寄存器值再赋给各个寄存器。
除了保存“现场”与恢复“现场”外,另外关键的一点是,操作系统能够改变PC值——强制把使用CPU的权限从一个任务切换到另一个任务,这就用到了中断。微机是用操作系统来管理中断的,用户只能间接使用中断。

2 单片机实现多任务的思路
由上面的介绍,我们知道微机中多线程轮流占用CPU时间,关键点在于:
①保存“现场”与恢复“现场”,即保存和恢复下一条指令的位置和通用寄存器的值。
②能够改变PC值,从而可以在多个线程中进行切换,以便同时运行。
在51系列单片机中,如何实现上面的两个关键点呢?
(1)保存此“现场”,恢复另一“现场”
给每个任务开辟一个堆栈,各个任务的堆栈不能交叉。各个任务的对应堆栈用于实现以下功能:
①保存“现场”,在PC离开此任务前保存该任务所用到的通用寄存器值(寄存器A、B、Rn和位寄存器C等)。
②恢复“现场”,先获得下一个任务的堆栈地址,然后取出堆栈中所保存的通用寄存器值;
③在调用子函数时,用以保存下一条指令的地址。
(2)每隔一段时间片,改变PC值几乎所有的处理器指令中,没有可以直接改变PC值的指令,但是系统发生中断时可以改变PC值,中断流程如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/170457.htm

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由图1可以看出,在倒数第二个步骤中,单片机会把栈顶的两个字节弹出给PC,由此来改变PC值,进而来改变程序的执行流程。所以,我们可以在出栈弹出字节给PC前改变栈顶的两个字节的内容,进而主动改变PC值。
有了主动改变PC值的能力,我们就可以将这个中断设为定时器中断,每隔一段时间来切换PC值,进而实现多任务运行。


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