中断驱动多任务单片机MCU下的一种软件设计结构.docx

1、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 (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

2、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

3、，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()./ Initializewhile (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 ，

4、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

5、，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(x0)typedef void (*FUNCTIONPTR)();const FUNCTIONPTR tasks = ProcessKey, RunTask2，RunTaskN;void Timer_Inter

6、rupt() SetTimer();ResetStack();Enable_Timer_Interrupt;for (i=0; iCountOfArray (tasks), i+) (*tasksi)();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

7、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: movA, stateacallMultiJumpajmpstate0ajmpstate1.MultiJump:popDPHpopDPLrlAjmpA+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：FUNCTIONPTRCOUNTOFTASKS tasks;tasks0 = ProcessKey;task

8、s0 = RunTaskM;tasks0 = NULL;.FUNCTIONPTR pFunc;for (i=0; i COUNTOFTASKS; i+)pFunc = tasksi);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

9、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;defaul

10、t: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() (*statesstate)(); 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 = 10

11、0; state+; void state5() delay-; if (delay = 0) state+; /delay 100*tickvoid 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

12、 的间隔去抖动。enum EnumKey EnumKey_NoKey =0,;struct StructKey intkeyValue;boolkeyPressed; ; struct StructKeyProcess key;void ProcessKey() (*statesstate)(); void state0() void state1() key.keyPressed = false; state+; void state2() if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state+; /next state if a key pressedvoid sta

13、te3() /debouncing statekey.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 releasedvoid 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

14、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;v

15、oid Timer_Interrupt() SetTimer();Enable_Timer_Interrupt;UpdateTimingRegisters();if (watchDogCounter = 0) ResetStack();for (i=0; iCountOfArray (tasks), i+) (*tasksi)();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

16、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

17、 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。 elsestate +=2;state3() if (-timeout) = 0) /note: some C compliers do not support (-timeout) =Se

18、ndCommand(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_S

19、lidingMotorForward); timeout = MILLISECOND(2000)；state+; / 滑板电机向外运动,脱离inner switchstate6() 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);