時分多線程技術在單片機中的應用 - 全文

　　本文就時分多線程技術在單片機中的應用進行了介紹。該方法為構建低成本、高效、便于維護的單片機系統提供了良好的體系框架結構和設計思想。

　　1 時分多線程結構應用

　　通常，在單片機應用的各種控制系統中，都或多或少地存在著諸如現場數據采集、控制量輸出、工作狀態檢測以及數據傳輸等各種同外設的交互過程;而各類外設與Mcu的響應速度不匹配，是制約系統整體性能的重要因素。面對這種交互瓶頸，運用時分多線程架構可獲得良好的效果。

　　特別是對于系統與外設頻繁進行數據交互的場合，能顯著提升系統的實時響應能力。這里采用的是以時分輪轉調度算法實現在單片機系統中的多任務控制目標。

　　1.1 時分輪轉調度算法的多線程實現

　　時分輪轉調度算法是以多個線程輪流占用cPu的執行時間來實現的。在外設交互頻繁的應用場合中，可有效地解決響應速度不匹配所造成的CPU等待外設響應的時間消耗問題，從而提高MCU運算部件的利用率。

　　而在多線程的調度切換過程中，要對上一個線程的運行環境進行保護，并為下一個線程做好準備。就單片機系統而言，要嚴格實現真正意義上的實時多線程控制，會受到容量、中斷源、指針等一系列系統資源的條件限制。

　　本文是以C8051F005單片機構建的應用系統。它是以805l內核為基礎的，沒有太多空間用于存放或保護任務切換時的現場數據(如程序指針、程序狀態字、累加器等)，也難于應用搶占式實時任務切換的實現激勵機制，同時MCU速率也有限。

　　針對單片機存在的這些資源瓶頸，運用時分輪轉算法作為多線程控制算法架構，以非搶占式異步處理方法，在合理分配、運用通用工作寄存器組的情況下，通過整合或細分功能模塊結構，將控制程序劃分為各線程任務，以縮短CPU的閑置時間;并將每個線程的執行時間控制在時間片內，以降低上下文切換的復雜度，從而降低開發風險。

　　1.2 多線程的管理策略及應用

　　(1)時間片長度

　　通過對控制功能、時序的合理組合，以時間片長度劃分的程序片段，應確保每個線程的執行代碼段在“時間片”內完成，以此降低線程任務的控制復雜度和設計風險。具體實施原則詳見第2節。

　　(2)線程協調方式

　　通過設置標識量，將各時間片內的線程任務協調起來。例如，在鍵盤輸入中的消抖動延時和鍵值冗余讀取、在A/D數據采集中的采樣觸發與數值讀取，以及SPI的數據傳輸等功能塊，都可進行任務線程的作業步驟細分。通過設置線程的階段標識量，協調前后時間片的線程執行步調.

　　(3)線程管理

　　在時鐘中斷服務程序中，用任務號調度線程執行次序。根據控制目標、設備狀態以及當前線程的執行結果，選擇下一步將要執行的任務號;而各任務線程執行在主控循環程序中完成。也就是說，把時間片驅動以及任務調度與任務線程處理過程分開，這樣有利于構建靈活、高效的軟件框架結構，提高系統的實時響應能力與可維護性。

　　在以C8051F005芯片構建的應用系統中，為了縮短時間片中斷服務程序的執行時間，提高系統的中斷響應能力，任務線程調度以及上下文切換控制在T2時鐘中斷服務程序中實現，以事件發生標識TstateChange和線程標識TimeSlice進行線程調度。TstateChange用于控制主控循環方向，TimeSlice則用于調度就緒線程的執行次序。

　　為了降低系統功耗，提高系統可靠性，程序主控循環體在每個循環結束后都要使MCU進入體眠狀態，并以時間片T2中斷、其他異步中斷源或引腳觸發事件等喚醒MCU。而TstateChange狀態標識量就是控制主控循環方向，以區分時間片任務線程調度與非T2等的異步中斷事件。其主控循環流程如圖1所示，其線程控制可以用如下程序結構實現。