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

51單片機多任務(wù)機制的實現(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51單片機實現(xiàn)多任務(wù)處理這一問題，首先對該系列單片機多任務(wù)機制實現(xiàn)的原理和存在的主要問題進(jìn)行了研究，然后提出了兩種實現(xiàn)多任務(wù)機制的策略，最后對兩種策略的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比，對該型單片機的多任務(wù)機制研究有一定的借鑒意義。

51單片機；多任務(wù)機制；實現(xiàn)策略

1　多任務(wù)機制的實現(xiàn)原理和存在問題

多任務(wù)機制就是在同一時間內(nèi)能夠執(zhí)行多個任務(wù)的機制，在多個處理器的系統(tǒng)內(nèi)，這樣的機制不難實現(xiàn)，但在只有一個處理器的控制系統(tǒng)內(nèi)，就勢必要求多個任務(wù)在時間域內(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間內(nèi)處理多個任務(wù)，而是通過快速切換任務(wù)造成的錯覺。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)，是指每個任務(wù)程序都可以釋放對CPU的控制權(quán)，也即可將對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)能夠從任何正在運行的程序上取走控制權(quán)，并將控制權(quán)賦予另一個程序［1］。

51單片機只有一個執(zhí)行單元，這就意味著所有的程序只能按照執(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)機制設(shè)計的關(guān)鍵切入點，只有通過中斷的方式才能實現(xiàn)多任務(wù)的切換，應(yīng)該重點考慮解決以下幾個問題：一是并行任務(wù)的數(shù)量問題。51單片機的8個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)切換的時效性。二是任務(wù)切換的時間片分配方式。在多任務(wù)處理時對時間的分配方式是需要重點考慮的問題?？蓪r間的長度進(jìn)行固定和量化，需要運行的各個任務(wù)含有不同時間長度的時間片段，每運行一個任務(wù)的時間片段，其狀態(tài)寄存器中的時間片數(shù)相應(yīng)的減少1，直至所有的時間片數(shù)減少為0，在時間片內(nèi)任務(wù)不切換，在時間片段之間按照任務(wù)的優(yōu)先級進(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)對應(yīng)的處理方式。針對不同的任務(wù)對時效性和重要性的要求，對時間敏感的任務(wù)或者等級較高的中斷賦予較高的優(yōu)先級，反之賦予較低的優(yōu)先級。

2　51單片機多任務(wù)機制的實現(xiàn)策略

本文重點對兩種51單片機的多任務(wù)實現(xiàn)策略進(jìn)行研究，并對兩種策略的優(yōu)劣進(jìn)行對比分析，具體如下：

（1）通過定時器分配時間片實現(xiàn)多任務(wù)。51單片機內(nèi)有兩個定時器，用來進(jìn)行單片機的基準(zhǔn)授時，通過將兩個定時器輪流開啟和關(guān)閉，可以實現(xiàn)更長時間的定時，按照兩個定時器的位數(shù)均為16位來計算，在不增加外部計數(shù)器的情況下，可以實現(xiàn)1μs-4.29s的定時［2］，去除中斷和初始化占用的時間，實際可供使用的時間要比理論值稍小。但對于51單片機的多任務(wù)設(shè)置來說時間已經(jīng)足夠。將單片機的輸入輸出端口連接任務(wù)設(shè)備，通過將每個任務(wù)分配一定的時間片段，在該時間片內(nèi)占用使用權(quán)，對外設(shè)進(jìn)行控制，多個任務(wù)通過這樣的方式實現(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現(xiàn)多任務(wù)。在實際的應(yīng)用中，如果單片機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［3］。51系列的單片機只有兩個中斷端口，在實際的使用中經(jīng)常面臨不夠用的情況，所以需要增加外部的擴展接口，常用的中斷擴展芯片有很多，比較有代表性的型號是8259A，該型芯片的可編程性和擴展性都很強，可將多個外部中斷連接至單片機的中斷請求引腳，這種擴展中斷的方法帶來的問題是成本較高，設(shè)計比較復(fù)雜，相應(yīng)的故障率可能提高。在實際應(yīng)用中可以考慮另外一種方法，將單片機的空閑IO端口進(jìn)行改造利用，作為傳感器的中斷請求引腳使用，單片機通過對端口的掃描，確定哪一個相應(yīng)的外設(shè)請求中斷，從而進(jìn)行任務(wù)的切換。當(dāng)沒有中斷請求時，控制系統(tǒng)按正常順序執(zhí)行。

圖1　通過定時器分配時間片段實現(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，需要解決兩個問題：一是當(dāng)單片機閑置的I/O端口不能滿足中斷需求時，怎樣進(jìn)行處理。這時可以對外設(shè)的中斷需求進(jìn)行編碼，采用不同的編碼規(guī)則，對中斷信號進(jìn)行編碼后，每一個碼值對應(yīng)一個中斷信號，將不同的編碼值輸入同一個端口就能解決這一問題。二是外部中斷的優(yōu)先級如何評判。這個問題在實際的應(yīng)用中，可以通過對單片機的數(shù)據(jù)存儲區(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，中斷發(fā)生后通過對比中斷值和存儲區(qū)的預(yù)設(shè)值，就可以判斷中斷的優(yōu)先級，因為單片機連接的外部設(shè)備比較固定，外部設(shè)備的中斷優(yōu)先級比較穩(wěn)定，所以可以使用這種優(yōu)先級表法進(jìn)行優(yōu)先級的判定。

（3）二種策略特點的比較。上文所述的第一種策略是對每個任務(wù)分配固定的時間片段，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)，每個任務(wù)在給定的時間片段內(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)點是程序的執(zhí)行可靠性高、系統(tǒng)穩(wěn)定，但缺點是系統(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。第二種策略是擴展性比較好、系統(tǒng)可以方便的與外設(shè)進(jìn)行交互，同時時效性比較高。這種策略可以應(yīng)用在對時效性要求高、外設(shè)中斷較多、情況比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，其缺點是造價較高，設(shè)計復(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

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

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

［2］王輝堂，顏自勇，陳文薌.一種基于C51的多任務(wù)機制及應(yīng)用［J］.電子設(shè)計應(yīng)用，2006（06）：45-48.

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