中断驱动多任务-单片机(MCU) 下的一种软件设计结构

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楼主 2020-10-16 14:07:08
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 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 (Operating System),  因为对于一个只有 若干K ROM, 一百多byte RAM 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 20 ms,  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:

                void main()
                {
                   ….   // 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

                void Timer_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, TI DSP 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:

                #define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))
typedef void (*FUNCTIONPTR)();
const FUNCTIONPTR[] tasks = { 
ProcessKey, 
RunTask2,

RunTaskN
};

                void Timer_Interrupt() 
                {
                                 SetTimer();
                                 ResetStack();
                                 Enable_Timer_Interrupt;
                     for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++) 
                                (*tasks)();
         while (1) IDLE;
}

使用const 是让数组内容位于 code segment (ROM) 而非 data segment (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。Visual C++ 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 data segment 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;
                             ...
                            FUNCTIONPTR pFunc;
                for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)  {
                          pFunc = tasks);
                          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 (state machine) 来实现切分。关于 state machine,  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state machine,直到学习UML/C++,书中介绍 tachniques for identifying dynamic behvior,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:

void RunTaskN() 
                {
                switch (state) {
                                case 0: state0(); break;
                                case 1: state1(); break;
                                …
                                case M: 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:

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM }; 
void RunTaskN() 
{
(*states[state])(); 
}

下面是 state machine 控制的例子:

void state0() { }             
void state1() { state++; }   //  next state;
void state2() { state+=2; }   //  go to state 4;
void state3() { state--; }      //  go to previous state;
void state4() { delay = 100; state++; }
void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }   //delay 100*tick
void state6() { state=0; }      //  go to the first state

一个小技巧是把第一个状态 state0 设置为空状态,即:

                void state0() { }

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 = 20 ms, 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 20 ms 的间隔去抖动。

                enum EnumKey {
EnumKey_NoKey =  0,

    };
                struct StructKey {
                                int                keyValue;
                                bool                keyPressed;
    } ; 
struct StructKeyProcess key;
void ProcessKey() { (*states[state])(); }               
                void state0() { }             
                void state1() { key.keyPressed = false; state++; } 
                void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if a key pressed
                void state3() 
    {                                                               //debouncing state
                                key.keyValue = ScanKey(); 
                                if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)
                                                state--;
                                else {
                                                key.keyPressed = true;       
                                                state++;
                                }                
    }   
    void state4() {  if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if the key released
                void state5() {  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;

void RunTaskN() 
    {
                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;

                void Timer_Interrupt() 
                {
                                SetTimer();
                                Enable_Timer_Interrupt;
                                UpdateTimingRegisters();
                                if (watchDogCounter = 0) {
                                               ResetStack();
                                                for (i=0; i<CountOfArray (tasks), i++) 
                                                                (*tasks)();
            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CD Player 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Z8 mcu 汇编, 基于 Sony 的 DSP, Servo and RF 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sub Q 码。这个处理任务只是一个大任务下用state machine切开的一个二级子任务,tick = 20 ms。


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