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单片机多任务的时间片方式实现

发布时间:2020-07-21 19:25:47 阅读: 来源:石英厂家

引言 由于单片机具有价格低、运行要求低、易于开发、稳定可靠等优点,广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。但是,单片机的位数少、频率低、内存小、I/O口少等缺点限制了其加载操作系统的可能。因此,单片机不能像ARM等较高性能的处理器一样,利用加载的操作系统实现管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等功能。 但是,我们可以根据单片机所拥有的内存大小、CPU频率等因素,来为单片机量身定做一个小型的操作系统,以实现单片机的多任务运行。1 微机实现多任务的方式 微机实现多任务的方式一般是由加载的操作系统来实现的。通过操作系统提供的函数来创建多进程或者多线程来实现多任务方式。由于多进程耗费的资源多,而多线程的开销相对小的多,因此我们采用单片机模仿多线程的方式来实现。 操作系统创建多个线程后,将管理各个线程占用CPU的时间。操作系统以轮换方式向线程提供CPU时间片,从而使多个线程看起来是同时运行的,而不是等待一个线程执行结束后再去执行下一个线程。 PC(Program Counter,程序计数器)是用于存放下一条指令地址的地方。某个线程正在占用CPU时间,其实是PC值指向该线程所占的内存,并正在逐条取到CPU寄存器中进行运算。该时间片结束后,PC值要指向下一个线程所占用的内存中,进行类似的运算。其他线程都轮流一遍后,将又回到原来那个线程暂停的位置继续运算。所以,从一个线程转换到另外一个线程去执行时,要保存此线程的“现场”,包括此线程下一条指令的位置(PC值)、此线程所使用的各个寄存器值等。当此线程又拥有CPU时间时,将保存的PC值赋给PC寄存器,保存的各个寄存器值再赋给各个寄存器。 除了保存“现场”与恢复“现场”外,另外关键的一点是,操作系统能够改变PC值——强制把使用CPU的权限从一个任务切换到另一个任务,这就用到了中断。微机是用操作系统来管理中断的,用户只能间接使用中断。2 单片机实现多任务的思路 由上面的介绍,我们知道微机中多线程轮流占用CPU时间,关键点在于: ①保存“现场”与恢复“现场”,即保存和恢复下一条指令的位置和通用寄存器的值。 ②能够改变PC值,从而可以在多个线程中进行切换,以便同时运行。 在51系列单片机中,如何实现上面的两个关键点呢? (1)保存此“现场”,恢复另一“现场” 给每个任务开辟一个堆栈,各个任务的堆栈不能交叉。各个任务的对应堆栈用于实现以下功能: ①保存“现场”,在PC离开此任务前保存该任务所用到的通用寄存器值(寄存器A、B、Rn和位寄存器C等)。 ②恢复“现场”,先获得下一个任务的堆栈地址,然后取出堆栈中所保存的通用寄存器值; ③在调用子函数时,用以保存下一条指令的地址。 (2)每隔一段时间片,改变PC值几乎所有的处理器指令中,没有可以直接改变PC值的指令,但是系统发生中断时可以改变PC值,中断流程如图1所示。

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由图1可以看出,在倒数第二个步骤中,单片机会把栈顶的两个字节弹出给PC,由此来改变PC值,进而来改变程序的执行流程。所以,我们可以在出栈弹出字节给PC前改变栈顶的两个字节的内容,进而主动改变PC值。 有了主动改变PC值的能力,我们就可以将这个中断设为定时器中断,每隔一段时间来切换PC值,进而实现多任务运行。

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