[转]中断驱动多任务--- 单片机(MCU) 下的一种软件设计结构

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/sejie10011/article/details/6508892

探讨在资源受限的MCU上不使用操作系统的情况下，如何通过定时中断驱动的方式组织程序结构，利用状态机实现任务管理和调度。

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http://blog.youkuaiyun.com/Akron/archive/2008/08/01/2755643.aspx

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：

Code:

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

Code:

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：

Code:

_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：

Code:

…
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：

Code:

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[i])();
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:

Code:

mov A, state
acall MultiJump
ajmp state0
ajmp state1
...
mp: 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：

Code:

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;
tasks[0] = ProcessKey;
tasks[0] = RunTaskM;
tasks[0] = NULL;
...
FUNCTIONPTR pFunc;
for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++) {
pFunc = tasks[i]);
if (pFunc != NULL)
(*pFunc)();
}

(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)

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;

….

_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[i])();

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。

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

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

tasks[0] = ProcessKey;

tasks[0] = RunTaskM;

tasks[0] = NULL;

...

FUNCTIONPTR pFunc;

for (i=0; i< COUNTOFTASKS; 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 (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：

Code:

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：

Code:

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

下面是 state machine 控制的例子：

Code:

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：

Code:

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。

Code:

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;

Code:

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;

Code:

void Timer_Interrupt()
{
SetTimer();
Enable_Timer_Interrupt;
UpdateTimingRegisters();
if (watchDogCounter = 0) {
ResetStack();
for (i=0; i<CountOfArray (tasks), 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。