深入探究单片机的性能：一文说透了如何实现单片机的多任务并发！

只看该作者 · 2023-5-16 14:32

在嵌入式系统开发中，多任务并发是非常常见的，对于处理复杂的应用场景、提升系统的并发能力、提高系统的实时性等方面都有很大好处。在单片机中实现多任务并发是非常重要的，本文将为大家介绍如何在单片机中实现多任务并发。
一、任务调度
任务调度是多任务并发中一个非常重要的概念。它指的是如何在系统中组织和规划多个任务的顺序和时间。任务调度的目的是使多个任务在实际执行中，按照一定的顺序和时序，充分利用 CPU 资源，并且避免出现资源争抢和堵塞的情况。
在单片机多任务并发中，常见的任务调度方式有两种：
1. 时间片轮转法
时间片轮转法是多任务并发中最基本的调度算法之一，它的核心思想是轮流分配 CPU 时间片，每个任务仅在分配到 CPU 时间片时才能执行。时间片轮转法可以保证所有任务都有机会被执行，是一种非常公平的调度算法。
2. 优先级调度法
优先级调度法是多任务并发中另一种非常常见的调度算法，它的核心思想是根据任务的优先级，按照优先级的高低顺序调度任务。如果系统中多个任务具有相同的优先级，则系统采用时间片轮转法进行调度。优先级调度法可以确保高优先级的任务优先被执行，从而提高系统的实时性。

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二、任务间通信
在多任务并发中，不同任务之间需要进行通信，以便协调任务间的资源分配和控制。任务间通信的方式主要有以下几种：
1. 全局变量
全局变量是多个任务共享的变量，可以用于任务间的数据传输。但是，多个任务同时访问同一个全局变量可能出现竞争问题，需要采用信号量或者互斥量等机制来避免冲突。
2. 消息队列
消息队列是指存放消息的队列，每个消息都是一个对象，由发送任务产生，并由接收任务接收和处理。消息队列可以实现异步通信，提高系统效率。
3. 信号量
信号量是一种同步机制，用于任务间的资源分配和控制。信号量通常只有两个值：0 和 1。当任务需要使用某个共享资源时，首先判断信号量的值是否为 0，如果为 0，则等待；如果为 1，则表示可以使用该资源，请求资源后将信号量值减 1，表示资源已被占用。
三、实例分析
下面以基于 STM32 单片机的多任务并发实例为例，讲解如何实现多任务并发。
1. 任务定义
在该实例中，我们定义了两个任务：
任务 1：实时采集温度数据，每隔 1 秒钟发送一次采集结果到串口。
任务 2：接收串口的命令并进行解析处理。
2. 任务调度
我们采用优先级调度法来调度这两个任务。由于任务 2 的优先级较高，因此任务 2 会先被调度执行。待任务 2 执行完毕后，才会调度任务 1。
3. 任务间通信
任务 1 通过全局变量来进行任务间通信，它将采集得到的温度数据存储在一个全局变量中，并在任务调度之后将采集结果发送到任务 2 中。任务 2 通过串口接收命令，并将其存储在一个全局变量中。如果接收到的命令为 “get_temp”，则读取任务 1 中存储的温度数据并将其发送回去。

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4. 实现代码
任务 1 的实现：
```
void task1(void)
{
for (;;)
{
      uint16_t temp = read_temperature(); // 采集温度数据
      g_temp_data = temp;                // 存储温度数据到全局变量
      send_temperature(temp);             // 向串口发送温度数据
      osDelay(1000);                      // 暂停 1 秒钟
}
}
```
任务 2 的实现：
```
void task2(void)
{
for (;;)
{
      if (g_cmd_received == 1)             // 判断是否接收到命令
      {
         if (strcmp(g_cmd, "get_temp") == 0) // 判断是否为 “get_temp” 命令
         {
            send_temperature(g_temp_data);    // 向串口发送温度数据
         }
         g_cmd_received = 0;                // 清除命令接收标志位
      }
      osDelay(10);                         // 暂停 10 毫秒
}
}
```
四、总结
多任务并发是单片机开发必不可少的一个技能点，它可以提高系统性能和实时性，同时也需要我们对任务调度、任务间通信等方面有深入的理解。