单片机系统中的多任务多线程机制的实现

文章摘要：摘要：单片机系统的开发多情况下不是在嵌入式操作系统平台上进行的，而是直接基于处理器编写。在多任务并行执行的要求下，可以借鉴操作系统中的任务和线程机制，对资源和处理器合理进行调度。本文以实例对此进行讨论。 关键词：单片机 任务 线程 并行处理引言首先要指出的是一点是，我们不是讨论嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）的设计。我们讨论的是，在不使用RTOS的控制系统中，如何体现多任务多线程机制的程序设计思想。一些嵌入式设备可以需要操作系统，例如掌上电脑、PDA、网络控制器等高性能的手持设备和移动设备。它们往往和无线通信、互联网访问和多媒体处理等复杂而强大的功能联系在一起；对CPU要求也很高，

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摘要：单片机系统的开发多情况下不是在嵌入式操作系统平台上进行的，而是直接基于处理器编写。在多任务并行执行的要求下，可以借鉴操作系统中的任务和线程机制，对资源和处理器合理进行调度。本文以实例对此进行讨论。

    关键词：单片机 任务 线程 并行处理

引言

首先要指出的是一点是，我们不是讨论嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）的设计。我们讨论的是，在不使用RTOS的控制系统中，如何体现多任务多线程机制的程序设计思想。

一些嵌入式设备可以需要操作系统，例如掌上电脑、PDA、网络控制器等高性能的手持设备和移动设备。它们往往和无线通信、互联网访问和多媒体处理等复杂而强大的功能联系在一起；对CPU要求也很高，往往是以通用CPU为原型的各种高端嵌入式处理器。

作为一个完整的操作系统，RTOS有一个可靠性很高的实时内核，将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包括起来，留给用户一个标准的应用程序接口（API）；根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU的时间，保证程序执行的实时性、可靠性。内核一般都能提供任务调度和中断服务等功能，部分高档商业化产品，如Windows XP Embedded，甚至支持32位地址空间、虚拟存储管理、多进程以及嵌入式操作系统中不多见的动态链接库（DLL）。对于这些RTOS来说，多任务实时处理不是件困难的事情。

    但更多的情况下，用户使用的是另一类CPU——微控制器，即单片机，往往是按照某一流程执行单一任务。出于成本和技术上的原因，这类软件开发多数还是基于处理器直接编写，没有选配实时多任务操作系统作为开发平台，也不需要将系统软件和应用软件分开处理。但是在实际应用中，有时也会面临同时处理多个并行任务的要求，这就需要安排一种运行机制，来模拟RTOS中的处理方法。

1 RTOS中的设计思想

单处理机多道程序系统具有如下特征：

①从宏观上看，几种程序“同时运行”。即它们先后开始了各自的运行，且均未结束。

②从微机上看，几道程序“交替执行”。对于单处理机系统而言，它们只能轮流地占用CPU。

其实质是指几道程序在处理机中“交替执行”。我们按照现在常用的方法，把一道程序和一个任务对应，把任务中的每个分开的、独立执行的部分称之为线程。

具体到RTOS来说，一方面，实时操作中的多任务引起的并发性和实时性，要求操作系统对资源分配具有更强的控制能力。通常的办法是采取设立前台与后台两个作业的分配办法。前台作业中包含实时采集、控制、处理有关的任务，任务优先级较高；后台作业一般是对数据进行分析、输出数据、响应操作员请求等任务，优先级较低。后台作业中与后台作业并非完全孤立的；后台作业所需数据由前台作业存储共享内存区内，作业之间通过共享存储区进行数据交换。

另一方面，实时任务总是由某个事件发生或时间条件满足来激活。事件有两种：内部事件和外部事件。时间驱动也有两种：按绝对时间驱动和按相对时间驱动。内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一任务的启动，这个结果可能是数据满足一定条件，也可能是释放了某一资源；而最典型的实时任务是由外部事件驱动的。在实时系统中，外部事件发生有时是不可预测的，由外部事件驱动的任务一般是需要立即执行的任务，它的优先级最高。绝对时间驱动是指在某指定时刻执行的任务，也就是在自然时钟的绝对时间执行。相对时间驱动是指周期性执行的任务，总是相对上一次执行时间计时，执行时间间隔一定。除了周期性任务外，还有一些同步任务也可能由相对时间驱动，如等待某种条件到来。等待时间是编程设定的。相对时间可用计算机内部时钟或软件计时。

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