转贴:中断驱动多任务--- 单片机(MCU) 下的一种软件设计结构
原帖地址:http://blog.csdn.net/Akron/archive/2008/08/01/2755643.aspxmcu由于内部资源的限制,软件设计有其特殊性,程序一般没有复杂的算法以及数据结构,代码量也不大, 通常不会使用 OS (Operating System),因为对于一个只有 若干K ROM, 一百多byte RAM 的 mcu 来说,一个简单OS也会吃掉大部分的资源。
对于无 os 的系统,流行的设计是主程序(主循环 ) + (定时)中断,这种结构虽然符合自然想法,不过却有很多不利之处,首先是中断可以在主程序的任何地方发生,随意打断主程序。其次主程序与中断之间的耦合性(关联度)较大,这种做法 使得主程序与中断缠绕在一起,必须仔细处理以防不测。
那么换一种思路,如果把主程序全部放入(定时)中断中会怎么样?这么做至少可以立即看到几个好处: 系统可以处于低功耗的休眠状态,将由中断唤醒进入主程序; 如果程序跑飞,则中断可以拉回;没有了主从之分(其他中断另计),程序易于模块化。
(题外话:这种方法就不会有何处喂狗的说法,也没有中断是否应该尽可能的简短的争论了)
为了把主程序全部放入(定时)中断中,必须把程序化分成一个个的模块,即任务,每个任务完成一个特定的功能,例如扫描键盘并检测按键。 设定一个合理的时基 (tick), 例如5, 10 或 20 ms,每次定时中断,把所有任务执行一遍,为减少复杂性,一般不做动态调度(最多使用固定数组以简化设计,做动态调度就接近 os 了),这实际上是一种无优先级时间片轮循的变种。来看看主程序的构成:
void main() {
…. // Initialize
while (true) {
IDLE; //sleep
}
}
这里的 IDLE 是一条sleep 指令,让 mcu 进入低功耗模式。中断程序的构成
void Timer_Interrupt() {
SetTimer();
ResetStack();
Enable_Timer_Interrupt;
….
进入中断后,首先重置Timer, 这主要针对8051, 8051 自动重装分频器只有 8-bit, 难以做到长时间定时;复位 stack ,即把stack 指针赋值为栈顶或栈底(对于 pic, TI DSP 等使用循环栈的 mcu 来说,则无此必要),用以表示与过去决裂,而且不准备返回到中断点,保证不会保留程序在跑飞时stack 中的遗体。Enable_Timer_Interrupt 也主要是针对8051。8051 由于中断控制较弱,只有两级中断优先级,而且使用了如果中断程序不用 reti 返回,则不能响应同级中断这种偷懒方法,所以对于 8051, 必须调用一次 reti 来开放中断:
_Enable_Timer_Interrupt:
acall _reti
_reti: reti
下面就是任务的执行了,这里有几种方法。第一种是采用固定顺序,由于mcu 程序复杂度不高,多数情况下可以采用这种方法:
…
Enable_Timer_Interrupt;
ProcessKey();
RunTask2();
…
RunTaskN();
while (1) IDLE;
可以看到中断把所有任务调用一遍,至于任务是否需要运行,由程序员自己控制。另一种做法是通过函数指针数组:
#define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x))
typedef void (*FUNCTIONPTR)();
const FUNCTIONPTR[] tasks = {
ProcessKey,
RunTask2,
…
RunTaskN
};
void Timer_Interrupt() {
SetTimer();
ResetStack();
Enable_Timer_Interrupt;
for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++)
(*tasks)();
while (1) IDLE;
}
使用const 是让数组内容位于 code segment (ROM) 而非 data segment (RAM) 中,8051 中使用 code 作为 const 的替代品。
(题外话:关于函数指针赋值时是否需要取地址操作符 & 的问题,与数组名一样,取决于 compiler. 对于熟悉汇编的人来说,函数名和数组名都是常数地址,无需也不能取地址。对于不熟悉汇编的人来说,用 & 取地址是理所当然的事情。Visual C++ 2005对此两者都支持)
这种方法在汇编下表现为散转, 一个小技巧是利用 stack 获取跳转表入口:
mov A, state
acall MultiJump
ajmp state0
ajmp state1
...
MultiJump: pop DPH
pop DPL
rl A
jmp @A+DPTR
还有一种方法是把函数指针数组(动态数组,链表更好,不过在 mcu 中不适用)放在 data segment 中,便于修改函数指针以运行不同的任务,这已经接近于动态调度了:
FUNCTIONPTR tasks;
tasks = ProcessKey;
tasks = RunTaskM;
tasks = NULL;
...
FUNCTIONPTR pFunc;
for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++){
pFunc = tasks);
if (pFunc != NULL)
(*pFunc)();
}
通过上面的手段,一个中断驱动的框架形成了,下面的事情就是保证每个 tick 内所有任务的运行时间总和不能超过一个 tick 的时间。为了做到这一点,必须把每个任务切分成一个个的时间片,每个 tick 内运行一片。这里引入了状态机 (state machine) 来实现切分。关于 state machine,很多书中都有介绍, 这里就不多说了。
(题外话:实践升华出理论,理论再作用于实践。我很长时间不知道我一直沿用的方法就是state machine,直到学习UML/C++,书中介绍 tachniques for identifying dynamic behvior,方才豁然开朗。功夫在诗外,掌握 C++, 甚至C# JAVA, 对理解嵌入式程序设计,会有莫大的帮助)
状态机的程序实现相当简单,第一种方法是用 swich-case 实现:
void RunTaskN()
{
switch (state) {
case 0: state0(); break;
case 1: state1(); break;
…
case M: stateM(); break;
default:
state = 0;
}
}
另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组:
const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };
void RunTaskN()
{
(*states)();
}
下面是 state machine 控制的例子:
void state0() { }
void state1() { state++; } //next state;
void state2() { state+=2; } //go to state 4;
void state3() { state--; } //go to previous state;
void state4() { delay = 100; state++; }
void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; } //delay 100*tick
void state6() { state=0; } //go to the first state
一个小技巧是把第一个状态 state0 设置为空状态,即:
void state0() { }
这样,state =0可以让整个task 停止运行,如果需要投入运行,简单的让 state = 1 即可。
以下是一个键盘扫描的例子,这里假设 tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函数控制口线的输出扫描,并检测输入转换为键码,利用每个state 之间 20 ms 的间隔去抖动。
enum EnumKey {
EnumKey_NoKey =0,
…
};
struct StructKey {
int keyValue;
bool keyPressed;
} ;
struct StructKeyProcess key;
void ProcessKey() { (*states)(); }
void state0() { }
void state1() { key.keyPressed = false; state++; }
void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }//next state if a key pressed
void state3() { //debouncing state
key.keyValue = ScanKey();
if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)
state--;
else {
key.keyPressed = true;
state++;
}
}
void state4() {if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }//next state if the key released
void state5() {ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; }
上面的键盘处理过程显然比通常使用标志去抖的程序简洁清晰,而且没有软件延时去抖的困扰。以此类推,各个任务都可以划分成一个个的state, 每个state 实际上占用不多的处理时间。某些任务可以划分成若干个子任务,每个子任务再划分成若干个状态。
(题外话:对于常数类型,建议使用 enum 分类组织,避免使用大量 #define 定义常数)
对于一些完全不能分割,必须独占的任务来说,比如我以前一个低成本应用中红外遥控器的软件解码任务,这时只能牺牲其他的任务了。两种做法:一种是关闭中断,完全的独占;
void RunTaskN()
{
Disable_Interrupt;
…
Enable_Interrupt;
}
第二种,允许定时中断发生,保证某些时基 register 得以更新;
void Timer_Interrupt()
{
SetTimer();
Enable_Timer_Interrupt;
UpdateTimingRegisters();
if (watchDogCounter = 0) {
ResetStack();
for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++)
(*tasks)();
while (1) IDLE;
}
else
watchDogCounter--;
}
只要watchDogCounter 不为 0,那么中断正常返回到中断点,继续执行先前被中断的任务,否则,复位 stack, 重新进行任务循环。这种状况下,中断处理过程极短,对独占任务的影响也有限。
中断驱动多任务配合状态机的使用,我相信这是mcu 下无os 系统较好的设计结构。对于绝大多数 mcu 程序设计来说,可以极大的减轻程序结构的安排,无需过多的考虑各个任务之间的时间安排,而且可以让程序简洁易懂。缺点是,程序员必须花费一定的时间考虑如何切分任务。
下面是一段用 C 改写的CD Player 中检测 disc 是否存在的伪代码,用以展示这种结构的设计技巧,原源代码为Z8 mcu 汇编, 基于 Sony 的 DSP, Servo and RF 处理芯片, 通过送出命令字来控制主轴/滑板/聚焦/寻迹电机,并读取状态以及 CD 的sub Q 码。这个处理任务只是一个大任务下用state machine切开的一个二级子任务,tick = 20 ms。
state1() { InitializeMotor(); state++; }
state2() {
if (innerSwitch != ON) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);
timeout = MILLISECOND(10000);
state++; // 滑板电机向内运动, 直至触及最内开关。
}
else
state += 2;
}
state3() {
if ((--timeout) == 0) { //note: some C compliers do not support (--timeout) ==
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;
state = 0; // 10 s 超时错误,
}
else {
if (innerSwitch == ON) {
SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200); // 200ms电机停止时间
state++;
}
}
}
state4() { if ((--timeout) == 0) state++; } //等待电机完全停止
state5() {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);
timeout = MILLISECOND(2000);
state++;
} // 滑板电机向外运动,脱离inner switch
state6() {
if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;
state = 0; // 2 s 超时错误,
}
else {
if (innerSwitch == OFF) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200); // 200ms电机停止时间
state++;
}
}
}
state7() { state4(); }
state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;} //打开激光器
state9() {
SendCommand(FocusUp);
state++;
timeout = MILLISECOND(2000);
} //光头上举,检测聚焦过零 3 次,判断cd 是否存在
state10() {
if (FocusCrossZero){
systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;
SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn); //有cd, 打开自动聚焦。
state = 0; //本任务结束。
playProcess.state = 1; //启动 play 任务
}
else if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_ FocusClose); //光头聚焦复位
if ((--retryCounter) == 0) {
systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc; //无盘
displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;//显示闪烁的无盘
LaserOff();
state = 0; //任务停止
}
else
state--; //再试
}
}
stateStop() {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);
SendCommand(EnumCommand_FocusClose);
state = 0;
} 有時間再仔細看下 帖子的内容和《时间触发嵌入式系统设计模式》书上写的完全一致,而且没有书上写的专业,强烈建议没有看过的朋友仔细看看,收获一定不小的。 呵呵,自从能现场写OS后,就没再用过状态机了.偶尔为了用以前写的代码才搞一下状态机. 在21上看过了 作记号.... 2楼似乎很强,不敢小看 最后一段程序看不懂,帮顶下 和我的疯狂思路不谋而合:http://www.ouravr.com/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=1390602&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=thomasdu&bbs_id=9999 (见30楼)
呵呵,想起办法来都是殊途同归呀,不同的是,我没有做下去,眼前也没有需要,只是想想而已,sigh~ mark 嗯,看过之后还是有点意思 时间触发思路还好。 我就是用这种思路写程序的,不过最大的问题就是分时间片,我的一个时间片是200us,可以完成一次AD转换(TLC2551),但是算一次除法就比较费事了,一个除法就要占用一个时间片,总的来说这种方法在实时性上还是比较好的,但调试时最好有一台示波器配合观察时间片分配情况。 还是OS爽 呵呵
不过我要在Mega64才能爽一把
M8 M16 我只能时间片的方式 不错,任务之间的通讯比较麻烦 没仔细看,有时间再看 mark mark mark先 慢慢看 感谢楼主分享 实际上,如果对 RTOS 的架构及其系统的运行方式有了真正的理解!
经过裁剪后也是可以在资源有限的 MCU 上实现 RTOS !
包括任务管理,调度;
邮箱;
信号量;
时间任务的管理,实现; 标记下 中断驱动多任务 在实时性要求严格的情况下,会造成致命的错误! mark。 【12楼】 igoal”我就是用这种思路写程序的,不过最大的问题就是分时间片,我的一个时间片是200us“
你很牛x 【200us 的时间片】 你想把 MCU 累死呀!
按照你的方法,MCU 的主要任务就是 处理时间片! 这样反而让 MCU 处理其它任务的响应时间变长,得不偿失! mark 看看
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