51單片機多任務(wù)操作系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)
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//任務(wù)切換函數(shù)(任務(wù)調(diào)度器)
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201701/342566.htmvoid task_switch()
{
task_sp[task_id] = SP;
if(++task_id == MAX_TASKS)
task_id = 0;
SP = task_sp[task_id];
}
//任務(wù)裝入函數(shù).將指定的函數(shù)(參數(shù)1)裝入指定(參數(shù)2)的任務(wù)槽中.如果該槽中原來就有任務(wù),則原任務(wù)丟失,但系統(tǒng)本身不會發(fā)生錯誤.
void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid)
{
task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;
task_stack[tid][0] = (unsigned int)fn & 0xff;
task_stack[tid][1] = (unsigned int)fn >> 8;
}
//從指定的任務(wù)開始運行任務(wù)調(diào)度.調(diào)用該宏后,將永不返回.
#define os_start(tid) {task_id = tid,SP = task_sp[tid];return;}
/*==================以下為測試代碼=====================*/
void task1()
{
static unsigned char i;
while(1){
i++;
task_switch();//編譯后在這里打上斷點
}
}
void task2()
{
static unsigned char j;
while(1){
j+=2;
task_switch();//編譯后在這里打上斷點
}
}
void main()
{
//這里裝載了兩個任務(wù),因此在定義MAX_TASKS時也必須定義為2
task_load(task1, 0);//將task1函數(shù)裝入0號槽
task_load(task2, 1);//將task2函數(shù)裝入1號槽
os_start(0);
}
限于篇幅我已經(jīng)將代碼作了簡化,并刪掉了大部分注釋,大家可以直接下載源碼包,里面完整的注解,并帶KEIL工程文件,斷點也打好了,直接按ctrl+f5就行了.
現(xiàn)在來看看這個多任務(wù)系統(tǒng)的原理:
這個多任務(wù)系統(tǒng)準(zhǔn)確來說,叫作"協(xié)同式多任務(wù)".
所謂"協(xié)同式",指的是當(dāng)一個任務(wù)持續(xù)運行而不釋放資源時,其它任務(wù)是沒有任何機會和方式獲得運行機會,除非該任務(wù)主動釋放CPU.
在本例里,釋放CPU是靠task_switch()來完成的.task_switch()函數(shù)是一個很特殊的函數(shù),我們可以稱它為"任務(wù)切換器".
要清楚任務(wù)是如何切換的,首先要回顧一下堆棧的相關(guān)知識.
有個很簡單的問題,因為它太簡單了,所以相信大家都沒留意過:
我們知道,不論是CALL還是JMP,都是將當(dāng)前的程序流打斷,請問CALL和JMP的區(qū)別是什么?
你會說:CALL可以RET,JMP不行.沒錯,但原因是啥呢?為啥CALL過去的就可以用RET跳回來,JMP過去的就不能用RET來跳回呢?
很顯然,CALL通過某種方法保存了打斷前的某些信息,而在返回斷點前執(zhí)行的RET指令,就是用于取回這些信息.
不用多說,大家都知道,"某些信息"就是PC指針,而"某種方法"就是壓棧.
很幸運,在51里,堆棧及堆棧指針都是可被任意修改的,只要你不怕死.那么假如在執(zhí)行RET前將堆棧修改一下會如何?往下看:
當(dāng)程序執(zhí)行CALL后,在子程序里將堆棧剛才壓入的斷點地址清除掉,并將一個函數(shù)的地址壓入,那么執(zhí)行完RET后,程序就跳到這個函數(shù)去了.
事實上,只要我們在RET前將堆棧改掉,就能將程序跳到任務(wù)地方去,而不限于CALL里壓入的地址.
重點來了......
首先我們得為每個任務(wù)單獨開一塊內(nèi)存,這塊內(nèi)存專用于作為對應(yīng)的任務(wù)的堆棧,想將CPU交給哪個任務(wù),只需將棧指針指向誰內(nèi)存塊就行了.
接下來我們構(gòu)造一個這樣的函數(shù):
當(dāng)任務(wù)調(diào)用該函數(shù)時,將當(dāng)前的堆棧指針保存一個變量里,并換上另一個任務(wù)的堆棧指針.這就是任務(wù)調(diào)度器了.
OK了,現(xiàn)在我們只要正確的填充好這幾個堆棧的原始內(nèi)容,再調(diào)用這個函數(shù),這個任務(wù)調(diào)度就能運行起來了.
那么這幾個堆棧里的原始內(nèi)容是哪里來的呢?這就是"任務(wù)裝載"函數(shù)要干的事了.
在啟動任務(wù)調(diào)度前將各個任務(wù)函數(shù)的入口地址放在上面所說的"任務(wù)專用的內(nèi)存塊"里就行了!對了,順便說一下,這個"任務(wù)專用的內(nèi)存塊"叫作"私棧",私棧的意思就是說,每個任務(wù)的堆棧都是私有的,每個任務(wù)都有一個自已的堆棧.
話都說到這份上了,相信大家也明白要怎么做了:
1.分配若干個內(nèi)存塊,每個內(nèi)存塊為若干字節(jié):
這里所說的"若干個內(nèi)存塊"就是私棧,要想同時運行幾少個任務(wù)就得分配多少塊.而"每個子內(nèi)存塊若干字節(jié)"就是棧深.記住,每調(diào)一層子程序需要2字節(jié).如果不考慮中斷,4層調(diào)用深度,也就是8字節(jié)棧深應(yīng)該差不多了.
unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP]
當(dāng)然,還有件事不能忘,就是堆指針的保存處.不然光有堆棧怎么知道應(yīng)該從哪個地址取數(shù)據(jù)啊
unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS]
上面兩項用于裝任務(wù)信息的區(qū)域,我們給它個概念叫"任務(wù)槽".有些人叫它"任務(wù)堆",我覺得還是"槽"比較直觀
對了,還有任務(wù)號.不然怎么知道當(dāng)前運行的是哪個任務(wù)呢?
unsigned char task_id
當(dāng)前運行存放在1號槽的任務(wù)時,這個值就是1,運行2號槽的任務(wù)時,這個值就是2....
2.構(gòu)造任務(wù)調(diào)度函函數(shù):
void task_switch()
{
task_sp[task_id] = SP; //保存當(dāng)前任務(wù)的棧指針
if(++task_id == MAX_TASKS) //任務(wù)號切換到下一個任務(wù)
task_id = 0;
SP = task_sp[task_id]; //將系統(tǒng)的棧指針指向下個任務(wù)的私棧.
}
3.裝載任務(wù):
將各任務(wù)的函數(shù)地址的低字節(jié)和高字節(jié)分別入在
task_stack[任務(wù)號][0]和task_stack[任務(wù)號][1]中:
為了便于使用,寫一個函數(shù): task_load(函數(shù)名, 任務(wù)號)
void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid)
{
task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;
task_stack[tid][0] = (unsigned int)fn & 0xff;
task_stack[tid][1] = (unsigned int)fn >> 8;
}
4.啟動任務(wù)調(diào)度器:
將棧指針指向任意一個任務(wù)的私棧,執(zhí)行RET指令.注意,這可很有學(xué)問的哦,沒玩過堆棧的人腦子有點轉(zhuǎn)不彎:這一RET,RET到哪去了?嘿嘿,別忘了在RET前已經(jīng)將堆棧指針指向一個函數(shù)的入口了.你別把RET看成RET,你把它看成是另一種類型的JMP就好理解了.
SP = task_sp[任務(wù)號];
return;
做完這4件事后,任務(wù)"并行"執(zhí)行就開始了.你可以象寫普通函數(shù)一個寫任務(wù)函數(shù),只需(目前可以這么說)注意在適當(dāng)?shù)臅r候(例如以前調(diào)延時的地方)調(diào)用一下task_switch(),以讓出CPU控制權(quán)給別的任務(wù)就行了.
最后說下效率問題.
這個多任務(wù)系統(tǒng)的開銷是每次切換消耗20個機器周期(CALL和RET都算在內(nèi)了),貴嗎?不算貴,對于很多用狀態(tài)機方式實現(xiàn)的多任務(wù)系統(tǒng)來說,其實效率還沒這么高--- case switch和if()可不像你想像中那么便宜.
關(guān)于內(nèi)存的消耗我要說的是,當(dāng)然不能否認(rèn)這種多任務(wù)機制的確很占內(nèi)存.但建議大家不要老盯著編譯器下面的那行字"DATA = XXXbyte".那個值沒意義,堆棧沒算進(jìn)去.關(guān)于比較省內(nèi)存多任務(wù)機制,我將來會說到.
概括來說,這個多任務(wù)系統(tǒng)適用于實時性要求較高而內(nèi)存需求不大的應(yīng)用場合,我在運行于36M主頻的STC12C4052上實測了一把,切換一個任務(wù)不到3微秒.
下回我們講講用KEIL寫多任務(wù)函數(shù)時要注意的事項.
下下回我們講講如何增強這個多任務(wù)系統(tǒng),跑步進(jìn)入操作系統(tǒng)時代.
四.用KEIL寫多任務(wù)系統(tǒng)的技巧與注意事項
C51編譯器很多,KEIL是其中比較流行的一種.我列出的所有例子都必須在KEIL中使用.為何?不是因為KEIL好所以用它(當(dāng)然它的確很棒),而是因為這里面用到了KEIL的一些特性,如果換到其它編譯器下,通過編譯的倒不是問題,但運行起來可能是堆棧錯位,上下文丟失等各種要命的錯誤,因為每種編譯器的特性并不相同.所以在這里先說清楚這一點.
但是,我開頭已經(jīng)說了,這套帖子的主要目的是闡述原理,只要你能把這幾個例子消化掉,那么也能夠自已動手寫出適合其它編譯器的OS.
好了,說說KEIL的特性吧,先看下面的函數(shù):
sbit sigl = P1^7;
void func1()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
}
你會說,這個函數(shù)沒什么特別的嘛!呵呵,別著急,你將它編譯了,然后展開匯編代碼再看看:
193: void func1(){
194: register char data i;
195: i = 5;
C:0x00C3 7F05 MOV R7,#0x05
196: do{
197: sigl = !sigl;
C:0x00C5 B297 CPL sigl(0x90.7)
198: }while(--i);
C:0x00C7 DFFC DJNZ R7,C:00C5
199: }
C:0x00C9 22 RET
看清楚了沒?這個函數(shù)里用到了R7,卻沒有對R7進(jìn)行保護(hù)!
有人會跳起來了:這有什么值得奇怪的,因為上層函數(shù)里沒用到R7啊.呵呵,你說的沒錯,但只說對了一半:事實上,KEIL編譯器里作了約定,在調(diào)子函數(shù)前會盡可能釋放掉所有寄存器.通常性況下,除了中斷函數(shù)外,其它函數(shù)里都可以任意修改所有寄存器而無需先壓棧保護(hù)(其實并不是這樣,但現(xiàn)在暫時這樣認(rèn)為,飯要一口一口吃嘛,我很快會說到的).
這個特性有什么用呢?有!當(dāng)我們調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)時,要保護(hù)的對象里可以把所有的寄存器排除掉了,就是說,只需要保護(hù)堆棧即可!
現(xiàn)在我們回過頭來看看之前例子里的任務(wù)切換函數(shù):
void task_switch()
{
task_sp[task_id] = SP; //保存當(dāng)前任務(wù)的棧指針
if(++task_id == MAX_TASKS) //任務(wù)號切換到下一個任務(wù)
task_id = 0;
SP = task_sp[task_id]; //將系統(tǒng)的棧指針指向下個任務(wù)的私棧.
}
看到?jīng)],一個寄存器也沒保護(hù),展開匯編看看,的確沒保護(hù)寄存器.
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