单片机多任务的时间片方式实现

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。

    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。


3 具体实现代码及注意事项
3．1 进入主循环前的工作
    根据上面的思路和技巧，进入主循环前的工作流程如图2所示。

    图2为进入主循环前的初始化工作。假定有3个任务，3个任务分别为Task1、Task2、Task3(这3个任务都应是死循环)，如果开设每个堆栈大小为16字节，3个任务对应的堆栈范围为40H～4FH、50H～5FH、60H～6FH，则初始各个任务地址到对应堆栈如下：
   
    sp1、sp2、sp3为定义的3个全局变量，用以存储各个任务的栈顶地址。

    初始化定时器后，要进入某个任务的死循环当中。假设我们要进入任务1中，则如下所示：
   
    TaskIndex为全局变量，用以存储当前执行的任务序号；难点在于ret的妙用。ret一般用于子函数的最后一条，以回到调用函数前下一条指令的地址。ret的实质是取出此时堆栈中栈顶的两个字节赋给PC寄存器，以返回调用函数前的位置。所以，上述代码是先把任务1的地址放进堆栈中，然后调用ret来取出地址给PC，以重新跳到任务1中去执行。
3．2 多任务切换的主循环
    进入某个任务进行死循环后，程序的主循环流程如图3所示。当程序进入到某个任务进行死循环时，如上面的任务i，定时器中断周期发生，发生时意味着该任务的时间片结束，准备执行下一个任务。这些准备工作是在中断里做的，如图3所示。首先，应保存此时用到的各个寄存器值，以便下次轮到该任务时取出继续执行，还要保存栈顶的位置，以便下次能取出所保存的值；然后通过全局变量TaskIndex取得下一个任务的序号，通过任务序号，得到下一个任务的堆栈栈顶的地址，赋给栈顶寄存器SP；然后通过SP取出保存的各个通用寄存器值；最后，重设定时器值，使中断能够再次进行任务切换。

    这里重要的是整个思路，没有比较难的代码，故没有贴出代码。值得提醒的是，保存通用寄存器值时，并不需要保存所有的通用寄存器值，只需要保存任务中用到的就可以。这里解释前面程序中提及的45H、55H、65H：各个任务堆栈的开始处存储各个任务的地址，然后再把要保护的寄存器值入栈，栈顶抬高；而要恢复下一个任务时，需将上次保护寄存器后的栈顶值赋给SP寄存器，然后逐个出栈赋值给各个寄存器值，直到栈底处存储的上次任务暂停处的地址。因为本文的验证程序只保护了A、B、R0、R2 4个寄存器值，堆栈刚好到达45H、55H、65H。

总结
    单片机实现多任务的另一种常用方式是把任务切成小片，然后放在主循环里。这样，每个循环执行一次各个任务的一小片，从而看起来所有的任务都同时进行。切片的思想是把一个任务细分成多个步骤，而每次只执行其中一小步。如多段数码管的显示可以每次只显示一段，这是更常用的方式，但并不是每个任务都可以切片的。
    本文所讲的这种实现单片机多任务的方式要求程序员要有比较好的汇编基础，要求对中断的实现过程比较熟悉，对ret指令的实质要理解，能够根据任务来分配堆栈，对操作系统管理CPU时间片有大致理解，因此要求比较高。另一方面，时间片定多少需要程序员根据任务的不同来选择，需要测试多次来达到性能的最优化。