浅谈多任务设计

fzwwj95

     我们在入门阶段，一般面对的设计都是单一的简单的任务，流程图可以如图 1 所示，通常会用踏步循环延时来满足任务需要。面对多任务，稍微复杂的程序设计，沿用图 1 的思想，我们会做出如图 2 所示的程序，在大循环体中不断增加任务，通常还要用延时来满足特定任务节拍，这种程序设计思想它有明显的不足，主要是各个任务之间相互影响，增加新的任何之后，以前很好的运行的任务有可能不正常，例如数码管动态扫描，本来显示效果很好的驱动函数，在增加新的任务后出现闪烁，显示效果变差了。

      很明显，初学者在设计程序时，需要从程序构架思想上下功夫，在做了大量基本模块练习之后，需要总结提炼自己的程序设计思路（程序架构思想）。首先我们来理解“任务”，所谓任务，就是需要 CPU 周期“关照”的事件，绝大多数任务不需要 CPU 一直“关照”，例如启动 ADC 的启动读取。甚至有些任务“害怕” CPU 一直“关照”例如 LCD 的刷新，因为 LCD 是显示给人看的，并不需要高速刷新，即便是显示的内容在高速变化，也不需要高速刷新，道理是一样的。这样看来，让 CPU 做简单任务一定很浪费，事实也是如此，绝大多数简单任务， CPU 都是在“空转”（循环踏步延时）。对任务总结还可以知道，很多任务需要 CPU 不断“关照”，其实这种“不断”也是有极限的，比如数码管动态扫描，能够做到 40Hz 就可以了，又如键盘扫描，能够做到 20Hz（经验值），基本上也就不会丢有效按键键值了，再如 LCD 刷新，我觉得做到 10Hz 就可以了，等等。看来，绝大多数任务都是工作在低速频度。而我们的 CPU 一旦运行起来，速度又很快， CPU 本身就是靠很快的速度执行很简单的指令来胜任复杂的任务（逻辑）的。如果有办法把“快”的 CPU分成多个慢的 CPU，然后给不同的任务分配不同速度的 CPU，这种设想是不是很好呢！确实很好，下面就看如何将“快”的 CPU 划分成多个“慢”的 CPU。根据这种想法，我们需要合理分配 CPU 资源来“关照”不同的任务，最好能够根据任务本身合理占用 CPU 资源，首先看如图 3 所示的流程图，各个任务流程独立，各任务通过全局变量来交互信息，在流程中有一个重要的模块“任务切换”，就是任务切换模块实现 CPU 合理分配，这个任务切换模块是怎么实现的呢？
     首先需要理解， CPU 一旦运行起来，就无法停止（硬件支持时钟停止的不在这里讨论），谁能够控制一批脱缰的马呢？对了，有中断，中断能够让 CPU 回到特定的位置，设想，能不能用一个定时中断，周期性的将 CPU 这匹运行着的脱缰的马召唤回来，重新给它安排特定的任务，事实上，任务切换就是这样实现的。如图 4A 所示， CPU 在空闲任务循环等待，定时中断将 CPU 周期性唤回，根据任务设计了不同的响应频度，满足条件的任务将获得 CPU 资源， CPU 为不同任务“关照”完成后，再次返回空闲任务，如此周而复始，对于各个任务而言，好像各自拥有一个独立的 CPU，各自独立运行。用这种思想构建的程序框架，最大的好处是任务很容易裁剪，系统能够做得很复杂。在充分考虑单片机中断特性（在哪里中断就返回到哪里）后，实际可行的任务切换如图4B 所示，定时中断可能发生在任务调度，随机任务执行的任何时候，图中最大的框框所示，不管中断在何时发生，它都会正常返回，定时中断所产生的影响只在任务调度模块起作用，即依次让不同的任务按不同的节拍就绪。任务调度会按一定的优先级执行就绪任务。总结不同的任务需要 CPU 关照的频度，选择最快的那个频度来设定定时器中断的节拍，一般选择 200Hz，或者 100Hz 都可以。另外再给每个任务设定一个节拍控制计数器 C，也就是定时器每中断多少次后执行任务一次。例如取定时中断节拍为 200Hz，给任务设定的 C=10，则任务执行频度为 200/10=20Hz，如果是数码管扫描，按 40Hz 不闪烁规律，则任务节拍控制计数器 C=5 即可。在程序设计中， C 代表着任务运行的节拍控制参数，我们习惯用 delay 来描述，不同的任务用 task0， task1……来描述。
      


         未完待续。。。。。。。。。。。。
         下次说说代码如何实现

止天

这是要做系统吗？

fzwwj95

止天 发表于 2016-3-7 10:13
这是要做系统吗？

不是，一种裸奔编程思想

止天

有点像Protothreads

fzwwj95

止天 发表于 2016-3-7 17:06
有点像Protothreads

Protothreads我感觉是状态机

夜猫煮茶

期待楼主更新

fzwwj95

我们来用代码实现以上多任务程序设计思想。
首先是任务切换
while(1)
{
if(task_delay[0]==0) task0(); //task0 就绪，
if(task_delay[1]==0) task1(); //task1 就绪，
……
}
很显然，执行任务的条件是任务延时量 task_delay=0，那么任务延时量谁来控制呢？定时
器啊！定时器中断对任务延时量减一直到归零，标志任务就绪。当没有任务就绪时，任务切
换本身就是一个 Idle 任务。
void timer0(void) interrupt 1
{
if(task_delay[0]) task_delay[0]--;
if(task_delay[1]) task_delay[1]--;
……
}
例如 timer0 的中断节拍为 200Hz， task0_delay 初值为 10，则 task0()执行频度为
200/10=20Hz。
有了以上基础，我们来设计一个简单多任务程序，进一步深入理解这种程序设计思想。
任务要求：用单片机不同 IO 脚输出 1Hz， 5Hz， 10Hz， 20Hz 方波信号，这个程序很短，将
直接给出。
#include "reg51.h"
#define TIME_PER_SEC 200 //定义任务时钟频率， 200Hz
#define CLOCK 22118400 //定义时钟晶振，单位 Hz
#define MAX_TASK 4 //定义任务数量
extern void task0(void); //任务声明
extern void task1(void);
extern void task2(void);
extern void task3(void);
sbit f1Hz = P1^0; //端口定义
sbit f5Hz = P1^1;
sbit f10Hz = P1^2;
sbit f20Hz = P1^3;
unsigned char task_delay[4]; //任务延时变量定义
//定时器 0 初始化
void timer0_init(void)
{
unsigned char i;
for(i=0;i<MAX_TASK;i++) task_delay[i]=0; //任务延时量清零
TMOD = (TMOD & 0XF0) | 0X01; //定时器 0 工作在模式 1， 16Bit 定时器模
式
TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;
TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;
TR0 =1;
ET0 =1; //开启定时器和中断
}
// 系统 OS 定时中断服务
void timer0(void) interrupt 1
{
unsigned char i;
TH0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12/256;
TL0 = 255-CLOCK/TIME_PER_SEC/12%256;
for(i=0;i<MAX_TASK;i++) if(task_delay[i]) task_delay[i]--;
//每节拍对任务延时变量减 1 ，减至 0 后，任务就绪。
}
/*main 主函数*/
void main(void)
{
timer0_init();
EA=1;//开总中断
while(1)
{
if(task_delay[0]==0) {task0(); task_delay[0] = TIME_PER_SEC/ 2;}
//要产生 1hz 信号，翻转周期就是 2Hz，以下同
if(task_delay[1]==0) {task1(); task_delay[1] = TIME_PER_SEC/10;}
//要产生 5hz 信号，翻转周期就是 10Hz，以下同
if(task_delay[2]==0) {task2(); task_delay[2] = TIME_PER_SEC/20;}
if(task_delay[3]==0) {task3(); task_delay[3] = TIME_PER_SEC/40;}
}
}
void task0(void)
{
f1Hz = !f1Hz;
}
void task1(void)
{
f5Hz = !f5Hz;
}
void task2(void)
{
f10Hz = !f10Hz;
}
void task3(void)
{
f20Hz = !f20Hz;
}

无痕幽雨

既然用了定时器切换任务，做的彻底一点，做一个基于时间片的调度器不就好了。

无痕幽雨

fzwwj95 发表于 2016-3-7 20:42
Protothreads我感觉是状态机

楼主所说的任务调度，也可以说是一种状态机。

choi_hk

謝謝樓主   解決困擾我多天的問題