多任务程序架构的搭建

虞益龙

(常州刘国钧高等职业技术学校，江苏 常州 213000)

1.引言

传统的单片机程序设计多为单任务系统，其业务逻辑顺序安排在主函数中，主函数一般为死循环，循环过程中通过调用函数来完成相应的操作，而对于一些较短的实时任务则通过中断方式进行处理。此种程序结构简单、直观，易于实现，但对于较复杂的应用此种结构实现不了，并且不能满足实时性要求较高的场合，因此必须考虑一种新的结构模式。

本文提出的方法也是按时间片切换任务的，但不同的是，执行任务的时间不是由定时器平均分配的，而是按照执行任务中一个完整过程的时间来自动分配的。在单片机系统程式设计中，可按系统的功能或模块划分为任务，而每个任务可按具体作业细分为各个过程。可见任务由过程组成。按时间片分配任务的设计，系统效率就会更高。

2.多任务轮循程序架构

多任务轮循程序架构就是一个系统由多个任务构成，各任务之间相对独立。本文提出一种基于定时器中断的多任务轮循程序架构，如图1所示。在主程序中，根据任务延时量判断任务是否就绪，各任务轮循占用CPU时间，由任务延时量控制任务执行频度及CPU关照度，而任务延时量又由定时器T0中断控制。

图1 定时中断的多任务轮循程序架构流程图

基于定时器中断的多任务轮循架构中，子任务的执行依靠主程序任务调度来实现，子任务不能设计成死循环流程。正因为各任务不抢占CPU，所以程序设计不用考虑现场保护问题，简化了程序设计。程序整体架构有定时器固定节拍中断，该节拍需满足最快任务执行频度需要。定义定时中断频度，由执行频度要求最快的任务确定，太高会降低CPU运行效率，太低任务频度不好分配，一般低于200Hz即可。本文采用50Hz。对于按键扫描程序模块，每秒按50次频度执行即可，LCD1602和实时时钟数据读取模块可以按每秒3次频度执行即可。

2.1 调用函数和宏定义

/*代码说明：这里通过宏定义，在头文件中把易变参数进行定义，这样使得程序容易修改，一改全改，便于移植。*/

2.2 定时器设置及初始化

/*代码说明：定时中断在这里就是心脏，依靠定时中断完成任务延时量的修改，从而实现不同任务运行频度控制。*/

2.3 定时器中断服务

任务执行频度由任务延时量task_delay[ID]控制，各任务延时量在定时中断中减一，直到延时量为零，相关任务就绪。“ID”表示各任务代号。任务调度过程就是对任务延时量检测过程，只有任务延时量为零时，CPU从其它任务中返回后立即执行相应的任务，由于不同任务延时量不同，从而实现不同任务具有不同的执行频度而相互不受时间影响。这里必须满足一个条件，就是每个任务执行一次的时间不能太长，不能超过一次定时中断时间，否则任务之间执行频度会有影响，对于50Hz的中断频率，每个任务执行时间最好不超过20ms，即CPU光顾一次任务时间要在20ms以内，这样就可以保证任务之间相互完全不受影响。

定时器中断服务等待任务就绪代码如下：

/*代码说明：在定时中断服务中，执行的任务必须很简短，重置定时器初值，把大于0的任务延时量减1，该定时中断作为心脏跳动，不断进出运行，为了节省CPU时间，该中断任务越简单越好。*/

2.4 指向函数的指针函数

2.5 任务切换

任务切换在主程序main()中完成，系统初始化之后，在一个大循环中，判断各任务的延时量是否为零，当任务延时量为零时，表示该任务就绪，当前一个任务主动放弃CPU之后，马上启动就绪的新任务。各任务之间不具有抢占功能，因此不用考虑堆栈与保护。

主程序服务及任务切换代码如下：

/*代码说明：根据任务延时量是否为零选择执行就绪任务，任务执行完成后返回再恢复设定的延时量；下划线表示任务执行的频度，即每秒钟执行多少次。各个不同的任务，根据需要，设定不同的延时量，延时量在定时中断中逐步减一归零，每个任务必须主动放弃CPU，正因此，各任务执行时间最好不要超过定时中断节拍时间单位，本文为20ms，否则将影响其它任务运行。*/

2.6 任务过程设计

/*代码说明：任务延时量为零时，就绪任务执行，任务过程可以根据需求设置若干个。例：数码管显示模块可以放在任务0执行，按键扫描程序模块放在任务1执行。*/

由此可见，系统按完整过程(最小作业单元)自动切换任务，不需保留临时现场数据，不需定时被动切换，不需额外的调度表。与单任务编程相比，多任务编程也没有占用系统任何额外资源，其结构和代码的可读性也没有较大的改变。

3. 结语

单片机多任务编程方法可归纳为：(1)在单片机多任务编程中，各任务依次排成队列轮流执行；(2)每次执行任务只调用其一个过程来执行，可保证各任务间最快速地切换；(3)各任务、过程间使用全局变量共享或交换数据，避免各种参数传递。

在过去采用传统方法设计复杂的单片机系统过程中，人们容易发现系统交叉调用多，重复代码多，系统运行效率差，逻辑容易混乱且难以调试。鉴于此，需要探索一个结构清晰，易调试，任务明确且可重用、提高开发效率，无相互调用，无重复代码的系统。采用定时中断的多任务轮循程序架构，与传统设计相比，基于该架构的系统产品消耗硬件资源少，运行效率高，其硬件功能更多以软件取代，所以运行更稳定，易维护，性价比高，取得了更高的经济效益。

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