單片機多任務調度
單片機多任務調度
mcu由於內部資源的限制，軟件設計有其特殊性，程序一般沒有復雜的算法以及數據結構，代碼量也不大， 通常不會使用OS (Operating System), 因為對於一個只有 若幹K ROM, 一百多byte RAM 的 mcu 來說，一個簡單OS 也會吃掉大部分的資源。
對於無 os 的系統，流行的設計是主程序(主循環 ) + （定時）中斷，這種結構雖然符合自然想法，不過卻有很多不利之處，首先是中斷可以在主程序的任何地方發生，隨意打斷主程序。其次主程序與中斷之間的耦合性（關聯度）較大，這種做法 使得主程序與中斷纏繞在一起，必須仔細處理以防不測。
那麽換一種思路，如果把主程序全部放入（定時）中斷中會怎麽樣？這麽做至少可以立即看到幾個好處: 系統可以處於低功耗的休眠狀態，將由中斷喚醒進入主程序; 如果程序跑飛，則中斷可以拉回；沒有了主從之分（其他中斷另計），程序易於模塊化。
(題外話：這種方法就不會有何處餵狗的說法，也沒有中斷是否應該盡可能的簡短的爭論了)
為了把主程序全部放入（定時）中斷中，必須把程序化分成一個個的模塊，即任務，每個任務完成一個特定的功能，例如掃描鍵盤並檢測按鍵。 設定一個合理的時基 (tick), 例如 5, 10 或 20 ms, 每次定時中斷，把所有任務執行一遍，為減少復雜性，一般不做動態調度（最多使用固定數組以簡化設計，做動態調度就接近 os 了），這實際上是一種無優先級時間片輪循的變種。來看看主程序的構成：
void main()
{
…. // Initialize
while (true) {
IDLE； //sleep
}
}
這裏的 IDLE 是一條sleep 指令，讓 mcu 進入低功耗模式。中斷程序的構成
void Timer_Interrupt()
{
SetTimer();
ResetStack();
Enable_Timer_Interrupt;
….
進入中斷後，首先重置Timer, 這主要針對8051, 8051 自動重裝分頻器只有 8-bit, 難以做到長時間定時；復位 stack ，即把stack 指針賦值為棧頂或棧底（對於 pic， TI DSP 等使用循環棧的 mcu 來說，則無此必要），用以表示與過去決裂，而且不準備返回到中斷點，保證不會保留程序在跑飛時stack 中的遺體。Enable_Timer_Interrupt 也主要是針對8051。8051 由於中斷控制較弱，只有兩級中斷優先級，而且使用了如果中斷程序不用 reti 返回，則不能響應同級中斷這種偷懶方法，所以對於 8051, 必須調用一次 reti 來開放中斷：
_Enable_Timer_Interrupt:
acall _reti
_reti: reti
下面就是任務的執行了，這裏有幾種方法。第一種是采用固定順序，由於mcu 程序復雜度不高，多數情況下可以采用這種方法：
…
Enable_Timer_Interrupt;
ProcessKey();
RunTask2();
…
RunTaskN();
while (1) IDLE；
可以看到中斷把所有任務調用一遍，至於任務是否需要運行，由程序員自己控制。另一種做法是通過函數指針數組：
#define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))
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[i])();
while (1) IDLE；
}
使用const 是讓數組內容位於 code segment （ROM) 而非 data segment (RAM) 中，8051 中使用 code 作為 const 的替代品。
(題外話：關於函數指針賦值時是否需要取地址操作符 & 的問題，與數組名一樣，取決於 compiler. 對於熟悉匯編的人來說，函數名和數組名都是常數地址，無需也不能取地址。對於不熟悉匯編的人來說，用 & 取地址是理所當然的事情。Visual C++ 2005對此兩者都支持)
這種方法在匯編下表現為散轉, 一個小技巧是利用 stack 獲取跳轉表入口:
mov A, state
acall MultiJump
ajmp state0
ajmp state1
...
MultiJump: pop DPH
pop DPL
rl A
jmp @A+DPTR
還有一種方法是把函數指針數組（動態數組，鏈表更好，不過在 mcu 中不適用）放在 data segment 中，便於修改函數指針以運行不同的任務，這已經接近於動態調度了：
FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;
tasks[0] = ProcessKey;
tasks[0] = RunTaskM;
tasks[0] = NULL;
...
FUNCTIONPTR pFunc;
for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++) {
pFunc = tasks[i]);
if (pFunc != NULL)
(*pFunc)();
}
通過上面的手段，一個中斷驅動的框架形成了，下面的事情就是保證每個 tick 內所有任務的運行時間總和不能超過一個tick 的時間。為了做到這一點，必須把每個任務切分成一個個的時間片，每個 tick 內運行一片。這裏引入了狀態機 (state machine) 來實現切分。關於 state machine, 很多書中都有介紹， 這裏就不多說了。
(題外話：實踐升華出理論，理論再作用於實踐。我很長時間不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到學習UML/C++，書中介紹 tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然開朗。功夫在詩外，掌握 C++, 甚至C# JAVA,對理解嵌入式程序設計，會有莫大的幫助)
狀態機的程序實現相當簡單，第一種方法是用 swich-case 實現：
void RunTaskN()
{
switch (state) {
case 0: state0(); break;
case 1: state1(); break;
…
case M: stateM(); break;
default:
state = 0;
}
}
另一種方法還是用更通用簡潔的函數指針數組：
const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };
void RunTaskN()
{
(*states[state])();
}
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
一個小技巧是把第一個狀態 state0 設置為空狀態，即：
void state0() { }
這樣，state =0可以讓整個task 停止運行，如果需要投入運行，簡單的讓 state = 1 即可。
以下是一個鍵盤掃描的例子，這裏假設 tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函數控制口線的輸出掃描，並檢測輸入轉換為鍵碼，利用每個state 之間 20 ms 的間隔去抖動。
enum EnumKey {
EnumKey_NoKey = 0,
…
};
struct StructKey {
int keyValue;
bool keyPressed;
} ;
struct StructKeyProcess key;
void ProcessKey() { (*states[state])(); }
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--; }
上面的鍵盤處理過程顯然比通常使用標誌去抖的程序簡潔清晰，而且沒有軟件延時去抖的困擾。以此類推，各個任務都可以劃分成一個個的state, 每個state 實際上占用不多的處理時間。某些任務可以劃分成若幹個子任務，每個子任務再劃分成若幹個狀態。
(題外話：對於常數類型，建議使用 enum 分類組織，避免使用大量 #define 定義常數)
對於一些完全不能分割，必須獨占的任務來說，比如我以前一個低成本應用中紅外遙控器的軟件解碼任務，這時只能犧牲其他的任務了。兩種做法：一種是關閉中斷，完全的獨占;
void RunTaskN()
{
Disable_Interrupt;
…
Enable_Interrupt;
}
第二種，允許定時中斷發生，保證某些時基 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[i])();
while (1) IDLE；
}
else
watchDogCounter--;
}
只要watchDogCounter 不為 0，那麽中斷正常返回到中斷點，繼續執行先前被中斷的任務，否則，復位 stack, 重新進行任務循環。這種狀況下，中斷處理過程極短，對獨占任務的影響也有限。
中斷驅動多任務配合狀態機的使用，我相信這是mcu 下無os 系統較好的設計結構。對於絕大多數 mcu 程序設計來說，可以極大的減輕程序結構的安排，無需過多的考慮各個任務之間的時間安排，而且可以讓程序簡潔易懂。缺點是，程序員必須花費一定的時間考慮如何切分任務。
下面是一段用 C 改寫的CD Player 中檢測 disc 是否存在的偽代碼，用以展示這種結構的設計技巧，原源代碼為Z8 mcu 匯編, 基於 Sony 的 DSP, Servo and RF 處理芯片, 通過送出命令字來控制主軸/滑板/聚焦/尋跡電機，並讀取狀態以及 CD 的sub Q 碼。這個處理任務只是一個大任務下用state machine切開的一個二級子任務，tick = 20 ms。
state1() { InitializeMotor(); state++; }
state2() {
if (innerSwitch != ON) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);
timeout = MILLISECOND(10000)；
state++; // 滑板電機向內運動, 直至觸及最內開關。
}
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 超時錯誤，
}
else {
if (innerSwitch == ON) {
SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200); // 200ms電機停止時間
state++;
}
}
}
state4() { if ((--timeout) == 0) state++; } //等待電機完全停止
state5() {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);
timeout = MILLISECOND(2000)；
state++;
} // 滑板電機向外運動,脫離inner switch
state6() {
if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;
state = 0; // 2 s 超時錯誤，
}
else {
if (innerSwitch == OFF) {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)
timeout = MILLISECOND(200); // 200ms電機停止時間
state++;
}
}
}
state7() { state4(); }
state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;} //打開激光器
state9() {
SendCommand(FocusUp);
state++;
timeout = MILLISECOND(2000)；
} //光頭上舉，檢測聚焦過零 3 次，判斷cd 是否存在
state10() {
if (FocusCrossZero) {
systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;
SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn); //有cd, 打開自動聚焦。
state = 0; //本任務結束。
playProcess.state = 1; //啟動 play 任務
}
else if ((--timeout) == 0) {
SendCommand(EnumCommand_ FocusClose); //光頭聚焦復位
if ((--retryCounter) == 0) {
systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc; //無盤
displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc; //顯示閃爍的無盤
LaserOff();
state = 0; //任務停止
}
else
state--; //再試
}
}
stateStop() {
SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);
SendCommand(EnumCommand_FocusClose);
state = 0;
}
單片機多任務調度