原创小容量单片机系统的C语言程序结构

 2010-4-4 20:32  1411 5 5 分类: MCU/ 嵌入式

彭光红

2002年初，笔者着手写一个IC卡预付费电表的工作程序，该电表使用Philips公司的8位51扩展型单片机87LPC764，要求实现很多功能，包括熄显示、负荷计算与控制、指示闪烁以及电表各种参数的查询等，总之，要使用时间的单元很多。笔者当时使用ASM51完成了这个程序的编写，完成后的程序量是2KB多一点。后来，由于种种原因，这个程序并没有真正使用，只是作了一些改动之后用在一个老化设备上进行计时与负荷计算。约一年后，笔者又重新改写了这些代码。

1 系统的改进

    可以说，这个用ASM51实现的代码是没有什么组织性可言的，要什么功能就加入什么功能，弄得程序的结构非常松散，其实这也是导致笔者最终决定重新改写这些代码的原因。
    大家知道，87LPC764有4KB的Flash ROM，而笔者的程序量只有2KB多点，因而第一个想法是改用C语言作为主要的开发语言，应该不至于导致代码空间不够用。其次，考虑到需要定时功能的模块(或称任务，以下统称任务)较多，有必要对这些任务进行有序的管理。笔者考虑使用时间片轮询方式，即给每个要求时间管理的任务以一个时间间隔，时间间隔一到，即运行其代码，达到合理使用系统定时器资源的目的。就51系统而言，一般至少一个定时器可用来进行时间片的轮询。基于以上的想法，构造了下述数据类型。
        typedef unsigned char uInt8
        typedef struct {
        void (*proc)(void); //处理程序
        uInt8 ms_count; //时间片大小
        } _op_;
        数据结构定义好之后，接着就是实现代码，包括三部分，即初始化数据、时间片的刷新与时间到执行。
        初始化数据。
        #define proc_cnt 0x08 //定义过程或任务数量
        //任务栈初始化
        code _op_ Op[proc_cnt]={{ic_check，10}，{disp_loop，100}，\
        {calc_power，150}，{set_led，2}，…\
        };
        //设置时间片初始值
        data uInt8 time_val[proc_cnt]={10，100，150，2，…};
        时间片刷新。
        void time_int1(void) interrupt 3
        { uInt8 cnt;
        Time_Counter:=Time_Unit;
        for(cnt=0;cnt{ time_val[cnt]--;
        }
        }
        任务的执行。
        void main(void){
        uInt8 cnt;
        init(); //程序初始化
        interrupt_on(); //打开中断
        do{
        for(cnt=0;cnt{ if(!time_val[cnt])
        { time_val[cnt]=Op[cnt].ms_count;
        Op[cnt].proc();
        }
        }
        }while(1);
        }
    在上面的结构定义中，proc是不能带参数的，各任务之间的通信可以定义一个参数内存块，通过一种机制进行数据信息交互，如定义一个全局变量。对于小容量单片机系统而言，需要这样做的任务并不多，总任务量也不会太多，因而这种协调并不太难处理。
    也许大家都有这样的认识，即一个实时系统中，差不多所有的具体任务都是有时间属性的，即使是不需要定时的过程或任务，也不见得要时时进行查询与刷新。如IC卡介质检测，保证每秒一次就足够了。因而，这些任务也可以列入到这个结构中来。
    在以上的程序代码中，考虑到单片机系统的RAM限制，不能像一些实时OS那样将任务栈建立在RAM中。笔者将任务栈建立在代码空间，因而不能在程序运行时动态地加入任务，因此要求在程序编译时，任务栈已经确定。同时，定义一组计数值旗标time_val，记录程序运行时的时间量，并在一个定时器中断中对其进行刷新。改变时间片刷新中断过程语句Time_Counter:=Time_Unit;中的Time_Unit，可以改变系统时间片的刷新粒度，一般这个值由系统的最小时间度量值确定。
    同时，由任务的执行流程可知，此种系统构造并没有改变其前/后台系统的性质，只是对后台逻辑操作序列进行了有效管理。同时，如果将任务执行流程进行一些更改，并保证时间片小的任务前置，如下述程序。
        do{
        for(cnt=0;cntif(!time_val[cnt]){
        time_val[cnt]=Op[cnt].ms_count;
        Op[cnt].proc();
        break; //执行完成后，重新进行优先调度
        }
        }
        }while(1);
　　则系统变为一个以执行频率为优先级的任务调度系统。当然，设置此种方式得非常小心，并要注意时间片的分配，如果时间片过小，则可能导致执行频率较低的任务难以被执行；而如果存在两个同样的时间片，则更加危险，可能导致第二个具有相同时间片的任务不被执行，因而，时间片的分配要合理，并保证其唯一性。

2 性能分析与任务拆分

　以上两种任务管理方式，前一种按任务栈的顺序与时间片的大小依次进行调度，暂且称其为流水作业调度；而后一种，且称其为频率优先调度。两种方式各有优缺点。流水作业调度的各任务具有等同优先级，时间片一到即会被按序调用，时间片大小的次序与唯一性不作要求；缺点是可能导致时间片小的，即要求执行得较快的任务等待过长的时间。频率优先调度的各任务按其时间片的大小，即执行频率划分优先级，时间片小的任务，其执行频率高，总是具有较高的优先权，但时间片的分配得协调，否则可能会导致执行频率低的任务长时间等待。
    要特别注意的是，两种方式都有可能导致一些任务长时间等待，时间片所设定的时间也因此不能作为精确时间的依据，根据系统的要求或需要，甚至要在任务执行过程中进行某些保护工作，如中断屏蔽等，因而在进行任务规划时要注意。如果一个任务较繁琐或可能要等待很长时间，则应当考虑任务的拆分，把一个较大的任务细化为较小的任务，把一个费时长的任务划分为多个费时小的任务，协同完成其功能。如在等待时间长的情况下，可附加一个定时任务，定时任务到则发送一个消息旗标，主过程没有检测到消息旗标就马上返回，否则继续执行。下面是示例代码，假定该任务将等待很长时间，现将其拆分为两个任务proc1与proc2协同完成原来的工作，proc1每100个时间单位执行一次，而proc2每200个时间单位执行一次。
        //定义两个任务，并将其加入到任务栈中。
        code _op_ Op[proc_cnt]={…，{proc1，100}，{proc2，200}};
        data int time1_Seg; //定义一个全局旗标
        //任务实现
        void proc1(void){
        if (time1_Seg)
        exit;
        else
        time1_Seg=const_Time1; //如果时间到了，则恢复初值并
        //接着执行下列代码。
        … //任务实际执行代码
        }
        void proc2(void){
        if(time1_Seg)
        time1_Seg--;
        }
    由上例可以看出，任务拆分后，几乎不占过多的CPU时间，使得任务的等待时间大减，让CPU有足够的时间进行任务管理与调度。同时也让程序的结构性与可读性大为加强。
结语
    基于上述思路与结构对IC卡电表工作程序进行全部改写后，系统的结构性能得到了很大改善。全部编写完成后，程序代码量约为3KB多一点，可见此种结构的程序构造并不会造成很大的系统开销(大部分开销是由于使用C的结果)，却使开发得到了简化。这只要将系统细分为一系列任务，然后加入到任务栈进行编译即可，很适合小容量单片机系统的开发，而笔者也在多个系统中成功地应用了此种结构。

        附1：主程序

        #include"oss.h"
        //时间片刷新中断定时器0
        void time_int0(void) interrupt 1   using 2
          {
           uInt8 cnt;

        TH0 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) / 256;
        TL0 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) % 256;
        for(cnt=0;cnt     {
         time_val[cnt]--;
         }

        }
        // 定时器1   时间刷新
        void time_int1(void) interrupt 3   using 3
          {

            TH1 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) / 256;
            TL1 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) % 256;

          }
          //初始化
          void init(void)
        {

        //使用定时器1设置频率,频率为1000Hz 1MS
        TMOD = 0x11;//16位
        TH0 = (65536 - (Fosc / 12) / 1000) / 256;
        TL0 = (65536 - (Fosc / 12) / 1000) % 256;
        TR0 = 1;
         //使用定时器1设置频率,频率为500Hz 2MS
        TH1 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) / 256;
        TL1 = (65536 - (Fosc / 12) / 500) % 256;
        TR1 = 1;

      EA="1";//总中断开放
      ET0=1;//允许T0益出。
      ET1=1;
    }

    void main(void)
      {
      uInt8 cnt;


      init(); //程序初始化

      do{
        for(cnt=0;cnt    { if(!time_val[cnt])
       { time_val[cnt]=Op[cnt].ms_count;
        Op[cnt].proc();

       }
       }
      //PCON = PCON | 0x01;     /* CPU进入休眠状态 */
       }while(1);
      }

      void LedFash1()
      {
       LED1=!LED1;

      }
      void LedFash2()
      {
       LED2=!LED2;

      }
    下面是头文件：
    #include
    #define uchar unsigned char
    #define uint unsigned int
    #define Fosc    11059200
    /***************主程序的函数声明*******************************/
    void LedFash1();
    void LedFash2();
    /**********os的系列变量**************************/
    typedef unsigned char uInt8;
      typedef struct {
      void (*proc)(void); //处理程序
      uInt8 ms_count; //时间片大小
      } _op_;

    #define proc_cnt 0x02 //定义过程或任务数量
    //任务栈初始化
    code _op_ Op[proc_cnt]={{LedFash1,500},{LedFash2,1000}};
    //设置时间片初始值
    data uInt8 time_val[proc_cnt]={500,1000};
    /*************以下为程序的定义的变量等***************************/

    sbit LED1 = P1^0;    /*定义指示灯1，2，3*/
    sbit LED2 = P1^1;