中断驱动多任务单片机MCU下的一种软件设计结构.docx
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中断驱动多任务单片机MCU下的一种软件设计结构
中断驱动多任务---单片机（MCU）下的一种软件设计结构
mcu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（OperatingSystem）, 因为对于一个只有若干KROM,一百多byteRAM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20ms, 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：
voidmain（）
{
…. //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
voidTimer_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，TIDSP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：
#defineCountOfArray（x）（sizeof（x）/sizeof（x[0]））
typedefvoid（*FUNCTIONPTR）（）;
constFUNCTIONPTR[]tasks={
ProcessKey,
RunTask2，
…
RunTaskN
};
voidTimer_Interrupt（）
{
SetTimer（）;
ResetStack（）;
Enable_Timer_Interrupt;
for（i=0;i （*tasks[i]）（）;
while
（1）IDLE；
}使用const是让数组内容位于codesegment（ROM）而非datasegment（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。
VisualC++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datasegment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[COUNTOFTASKS]tasks;
tasks[0]=ProcessKey;
tasks[0]=RunTaskM;
tasks[0]=NULL;
...
FUNCTIONPTRpFunc;
for（i=0;i pFunc=tasks[i]）;
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（statemachine）来实现切分。
关于statemachine, 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statemachine，直到学习UML/C++，书中介绍tachniquesforidentifyingdynamicbehvior，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：
voidRunTaskN（）
{
switch（state）{
case0:
state0（）;break;
case1:
state1（）;break;
…
caseM:
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：
constFUNCTIONPTR[]states={state0,state1,…,stateM};
voidRunTaskN（）
{
（*states[state]）（）;
}
下面是statemachine控制的例子：
voidstate0（）{}
voidstate1（）{state++;} // nextstate;
voidstate2（）{state+=2;} // gotostate4;
voidstate3（）{state--;} // gotopreviousstate;
voidstate4（）{delay=100;state++;}
voidstate5（）{delay--;if（delay<=0）state++;} //delay100*tick
voidstate6（）{state=0;} // gotothefirststate
一个小技巧是把第一个状态state0设置为空状态，即：
voidstate0（）{}
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=20ms,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20ms的间隔去抖动。
enumEnumKey{
EnumKey_NoKey= 0,
…
};
structStructKey{
int keyValue;
bool keyPressed;
};
structStructKeyProcesskey;
voidProcessKey（）{（*states[state]）（）;}
voidstate0（）{}
voidstate1（）{key.keyPressed=false;state++;}
voidstate2（）{if（ScanKey（）!
=EnumKey_NoKey）state++;} //nextstateifakeypressed
voidstate3（）
{ //debouncingstate
key.keyValue=ScanKey（）;
if（key.keyValue==EnumKey_NoKey）
state--;
else{
key.keyPressed=true;
state++;
}
}
voidstate4（）{ if（ScanKey（）==EnumKey_NoKey）state++;} //nextstateifthekeyreleased
voidstate5（）{ 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;
voidRunTaskN（）
{
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;
voidTimer_Interrupt（）
{
SetTimer（）;
Enable_Timer_Interrupt;
UpdateTimingRegisters（）;
if（watchDogCounter=0）{
ResetStack（）;
for（i=0;i （*tasks[i]）（）;
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CDPlayer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Z8mcu汇编,基于Sony的DSP,ServoandRF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subQ码。
这个处理任务只是一个大任务下用statemachine切开的一个二级子任务，tick=20ms。
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:
someCcompliersdonotsupport（--timeout）==
SendCommand（EnumCommand_SlidingMotorStop）
systemErrorCode=EnumErrorCode_InnerSwitch;
state=0; //10s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innerswitch
state6（）{
if（（--timeout）==0）{
SendCommand（EnumCommand_SlidingMotorStop）
systemErrorCode=EnumErrorCode_InnerSwitch;
state=0; //2s超时错误，
}
else{
if（innerSwitch==OFF）{
SendCommand（EnumCommand_SlidingMotorStop）
timeout=MILLISECOND（200）;
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