中断驱动多任务单片机MCU下的一种软件设计结构.docx
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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(OperatingSystem), 因为对于一个只有若干KROM,一百多byteRAM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20ms, 每次定时中断,把所有任务执行一遍,为减少复杂性,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:
voidmain()
{
…. //Initialize
while(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
voidTimer_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,即把stack指针赋值为栈顶或栈底(对于pic,TIDSP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,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:
#defineCountOfArray(x)(sizeof(x)/sizeof(x[0]))
typedefvoid(*FUNCTIONPTR)();
constFUNCTIONPTR[]tasks={
ProcessKey,
RunTask2,
…
RunTaskN
};
voidTimer_Interrupt()
{
SetTimer();
ResetStack();
Enable_Timer_Interrupt;
for(i=0;i (*tasks[i])(); while (1)IDLE; }使用const是让数组内容位于codesegment(ROM)而非datasegment(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。 对于不熟悉汇编的人来说,用&取地址是理所当然的事情。 VisualC++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: mov A,state acall MultiJump ajmp state0 ajmp state1 ... MultiJump: pop DPH pop DPL rl A jmp @A+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datasegment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: FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS]tasks; tasks[0]=ProcessKey; tasks[0]=RunTaskM; tasks[0]=NULL; ... FUNCTIONPTRpFunc; for(i=0;i pFunc=tasks[i]); 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(statemachine)来实现切分。 关于statemachine, 很多书中都有介绍,这里就不多说了。 (题外话: 实践升华出理论,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statemachine,直到学习UML/C++,书中介绍tachniquesforidentifyingdynamicbehvior,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: voidRunTaskN() { switch(state){ case0: state0();break; case1: state1();break; … caseM: stateM();break; default: state=0; } } 另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组: constFUNCTIONPTR[]states={state0,state1,…,stateM}; voidRunTaskN() { (*states[state])(); } 下面是statemachine控制的例子: voidstate0(){} voidstate1(){state++;} // nextstate; voidstate2(){state+=2;} // gotostate4; voidstate3(){state--;} // gotopreviousstate; voidstate4(){delay=100;state++;} voidstate5(){delay--;if(delay<=0)state++;} //delay100*tick voidstate6(){state=0;} // gotothefirststate 一个小技巧是把第一个状态state0设置为空状态,即: voidstate0(){} 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=20ms,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20ms的间隔去抖动。 enumEnumKey{ EnumKey_NoKey= 0, … }; structStructKey{ int keyValue; bool keyPressed; }; structStructKeyProcesskey; voidProcessKey(){(*states[state])();} voidstate0(){} voidstate1(){key.keyPressed=false;state++;} voidstate2(){if(ScanKey()! =EnumKey_NoKey)state++;} //nextstateifakeypressed voidstate3() { //debouncingstate key.keyValue=ScanKey(); if(key.keyValue==EnumKey_NoKey) state--; else{ key.keyPressed=true; state++; } } voidstate4(){ if(ScanKey()==EnumKey_NoKey)state++;} //nextstateifthekeyreleased voidstate5(){ 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; voidRunTaskN() { 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; voidTimer_Interrupt() { SetTimer(); Enable_Timer_Interrupt; UpdateTimingRegisters(); if(watchDogCounter=0){ ResetStack(); for(i=0;i (*tasks[i])(); 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CDPlayer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Z8mcu汇编,基于Sony的DSP,ServoandRF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subQ码。 这个处理任务只是一个大任务下用statemachine切开的一个二级子任务,tick=20ms。 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。 } else state+= 2; } state3(){ if((--timeout)==0){ //note: someCcompliersdonotsupport(--timeout)== SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop) systemErrorCode=EnumErrorCode_InnerSwitch; state=0; //10s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_SlidingMotorForward); timeout=MILLISECOND(2000); state++; } //滑板电机向外运动,脱离innerswitch state6(){ if((--timeout)==0){ SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop) systemErrorCode=EnumErrorCode_InnerSwitch; state=0; //2s超时错误, } else{ if(innerSwitch==OFF){ SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop) timeout=MILLISECOND(200);
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