单片机如何实现多任务处理

单片机作为嵌入式系统的核心控制器，在许多应用中需要同时处理多个任务。本文将详细介绍单片机实现多任务处理的方法和技术，并探讨其中的挑战和解决方案。

随着科技的迅猛发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。而在这些应用中，单片机作为控制中心，负责多个任务的处理。 实现多任务处理不仅可以提高系统性能和效率，还能满足不同任务的实时性要求。本文将深入探讨单片机如何实现多任务处理的原理、方法和技术。

一、多任务处理的基本概念

1.1 单任务与多任务的区别

单任务是指单片机按照固定的顺序逐个执行任务，多任务是指单片机同时处理多个任务。

1.2 多任务处理的优势和挑战

多任务处理可以提高系统的并行性和响应能力，但也会带来任务切换、资源竞争等挑战。

1.3 多任务处理的基本要求

多任务处理需要满足任务间的独立性、实时性、资源共享等基本要求。

二、实现多任务处理的方法

2.1 轮询法

2.1.1 原理与实现

轮询法是最简单的多任务处理方法，通过循环遍历任务列表，逐个检查任务是否需要执行。

2.1.2 优缺点分析

轮询法简单易用，但效率相对较低，不适合任务数量较多和实时性要求较高的情况。

2.2 优先级法

2.2.1 原理与实现

优先级法通过为每个任务分配优先级，按照优先级顺序执行任务。优先级可静态分配或动态调整。

2.2.2 优缺点分析

优先级法可以根据任务的重要性和紧急程度进行灵活的调度，但存在优先级反转和饥饿等问题。

2.3 时间片轮转法

2.3.1 原理与实现

时间片轮转法将时间划分为固定大小的时间片，每个任务轮流执行一个时间片后切换到下一个任务。

2.3.2 优缺点分析

时间片轮转法能够保证任务公平调度和响应时间，但在高优先级任务较多时会导致较长的延迟。

2.4 事件驱动法

2.4.1 原理与实现

事件驱动法通过任务间的事件触发来执行任务，任务根据事件的发生与否进行响应和处理。

2.4.2 优缺点分析

事件驱动法适用于异步任务和按需处理，但需要合理设计事件机制和处理任务的顺序。

三、多任务处理的技术和工具

3.1 任务切换与上下文保存

任务切换是多任务处理中的关键步骤，需要保存和恢复任务的执行环境和上下文信息。

3.2 任务间通信与同步

多任务处理时需要任务间进行通信和同步，常用的方法包括信号量、消息队列和互斥锁等机制。

3.3 中断处理技术的应用

中断处理技术可以用于实时响应和处理紧急事件，如外部输入、定时器中断等。

3.4 定时器和时钟管理

定时器和时钟可以用于任务调度和时间管理，确保任务在指定的时间内执行。

最后

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基于M16C62单片机构成实时多任务系统

随着微电子技术和网络的发展，人们对网络的认识日益深入。网络终端产品也越来越受到人们的关注，嵌入式操作系统的应用也得到了前所未有的发展，人们对嵌入式的研究也有了长足的进步。基于某个操作系统的实时、多任务系统的设计合应用成为单片机应用的新的发展趋势。

μC/OS-Ⅱ是一个源码公开的实时嵌入式操作系统，它的特点在于公开的源代码，很强的移植性，占先式多任务，每个任务有单独的栈，中断管理及很强的稳定性与可靠性等，目前越来越受到实时嵌入式系统设计者的关注，本文详细讲述了如何把 uC/OS-II 操作系统移植到 M16C62 单片机中，并给出了以 M16C62 单片机为核心处理器构成的一个实时多任务系统的设计方案。

1、uC/OS-II 的移植

uC/OS-II 采用完全占先式的实时内核，最多可以管理 56 个任务，每个任务对应一个不同的优先级，因而，uC/OS-II 操作系统并不支持时间片轮转调度法。但是全部 UC/OS-II 的函数调用与服务的执行时间是可知的，也就是，uC/OS-II 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。另外，uC/OS-II 中每个任务都有自己单独的栈，每个栈的大小可以根据应用程序的需要进行分配，这样压低了系统对 RAM 的需求；在中断管理方面，uC/OS-II 中的中断可以使正在执行的任务挂起，如果优先级更高的任务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，uC/OS-II 的中断嵌套可达 255 层。

uC/OS-II 的源码大部分是用可移植性很强的 ANSI C 写的。只是和微处理器有关的很小一部分代码是用汇编写的，这样把 uC/OS-II 移植到 MC16C62 中就变得相对容易很多，主要是要修改和处理器有关的代码，如：OS-CPU.H、OS-CPU-A.ASM、OS-CPU-C.C。

（1）、OS-CUP.H 头文件

OS_CUP.H 头文件主要是定义和处理器有关的数据类型，在 M16C62 中的数据类型包括无符号整型、有符号整型、无符号字符型、有符号字符型等。因此，OS_CPU.H 头文件对这些类型进行全新的定义。除了和处理器有关的数据类型定义外，在 OS-CUP.H 中还作了有关中断禁止、中断允许、堆栈的增长方向等一些简单宏的定义。

（2）、OS-CPU-A.ASM 文件

在 OS-CPU-A.ASM 文件中包含四个汇编语言的函数：OSSTartHighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxsw、OSTickISR。在 uC/OS-II 中处于就绪态的任务的堆栈结构，看起来和刚中断的情形是一样的。要想运行最高优先级任务，移植要做的是就是将所有处理器的寄存器按顺序从任务堆栈中恢复出来，并且通过一条中断返回语句来实现任务的切换。因而，OSStartHighRdy就是使要恢复的任务堆栈指针指到任务控制块的 0 偏址的内存单元中。也就是要把保存在任务堆栈中的数据以及 CPU 寄存器，如 R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB 和 FB 返回到系统当前的寄存器中，并把当前堆栈指针指到 PC 指针的位置。

在 uC/OS-II 中任务的切换问题是通过发软件中断命令或依靠处理器执行陷阱指令来完成的。但是中断服务例程、陷阱或异常处理例程的向量地址必须指向 OSCtxSw。在 M16C62 单片机中可以通过定义软件中断 0 来完成任务的切换。因而，在 M16C62 中的中断向量表中的 0 号软件中断地址指向 OSCtxSW。对应的中断号为 0。

OSInCtxSw用来在 ISR 中执行切换功能。由于这个函数本身就是在中断中被调用，因而，在中断处理时寄存器的状态已经都被正确保存了。在 OSInCtxSw函数中要进行堆栈清理工作，只有这样被中断的任务的堆栈内容才能正确返回。

OSTIckISR这个函数时 UC/OS-II 所要求的时钟基准，即时钟节拍，uC/OS-II 的时钟节拍频率在 10 到 100 之间，通常为了计算方便而设为整数。在 M16C62 中有多个定时计数器可以选择用来作为系统的时钟基准。在该系统中利用时钟定时器 A0 来产生频率为 100 的一个时钟节拍。OSTIckISR是一个中断响应函数，因而必须在 M16C62 的中断向量表中，A0 的中断向量应分配给 OSTIckISR，对应的中断向量号是 21。

（3）、OS_CPU_C.C 文件

在这个 C 文件中包含 6 个简单的 C 函数，而这 6 个函数中和移植关系最密切的 OSTaskInit函数，这个函数是用来创建一个任务堆栈。OSTaskCreat和 OSTaskExt就是通过调用这个函数来初始化任务的堆栈结构的，由此看来，OSTaskInit是移植的关键。在前面的 OS_CPU_A.ASM 文件中，任务的切换是通过调用一个软中断 0 来实现任务切换，通过中断的返回指令使堆栈中的数据返回到 CPU 寄存器，使最高优先级的任务占有 CPU，因而，OSTaskInit函数要做的就是模拟中断发生时处理器压栈的过程，把 CPU 的寄存器内容压到任务堆栈中。在 M16C62 单片机中，系统分为两个堆栈，即：用户堆栈和中断堆栈，而在 uC/OS-II 进行任务切换是通过软中断 0 来实现的，因此，uC/OS-II 的任务堆栈是 M16C62 中的中断堆栈。在 M16C62 中，响应中断后堆栈的状态如图 1 所示：

图 1 响应中断后的堆栈状态

中断堆栈中依次保存程序计数器 PC 和标志寄存器 FLG 中的内容，因此，在 OSTaskStkInit函数中就是要模拟这样的一个压栈过程。先压入 FLAG 的高四位和 PC 指针的高四位，接着压入 FLAG 低位、PC 中间八位和 PC 的低八位。在保存完 PC 和 FLAG 位后就应该为 CPU 的寄存器 FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1 和 R0 分配相应存储空间。OSTaskInit函数返回的是任务堆栈的指针。

2、多任务系统设计

多任务系统的设计是以 M16C62 单片机为 CPU，以 uC/OS-II 为操作系统构成一个实时多任务系统，系统包括一个基于 SPI 总线的温度传感器（DS1722）、一个基于 I2C 总线的实时钟（X1226）、一个 LCD（JM202A）和键盘。M16C62 工作在微处理器模式，片外扩展一个 32K×16 位的 RAM（Cy7c1021b）和由两片 EEPROM（EEP29010-90）构成的存储器。多任务系统的设计主要包括：单片机资源分配和多任务设计两个方面。

（1）M16C62 单片机资源分配

M16C62 单片机是一个 16 位单片机，线性寻址空间是 1M，但片内的 RAM 大小只有 3Kbyte，因此要使多任务系统能正常稳定地工作必须合理分配资源。uC/OS-II 中所有内核代码必须在 RAM 区而把系统堆栈区划块到 3K RAM 区外。通过对 Ncrt0.a30 和 Sect30.inc 这两个 M16C62 配置文件，可以完成对单片机的资源划分。NC30 编译器一开始就会编译 Ncrt0.a30 和 Sect30.inc 这两个文件，完成对 CPU 的初始化，和资源分配，主要包括：存储器空间、RAM 区分配、中断向量分配、堆栈区划分等。

（2）多任务设计

该系统中除了 uC/OS-II 的空闲任务外，还包括实时钟任务、温度采集任务和键盘中断任务和数据存储任务。实时钟主要是能精确记录系统的日期，任务优先级为 10，该任务处于一直工作状态；温度采集任务的优先级为 20，主要是完成温度数据的采集；数据存储任务是在温度发生较大变化的时候记录当时的时间和温度，任务优先级为 30，在一般情况下这个任务是处在挂起状态，一旦温度变动超过预置范围，温度采集任务就会发出一个有效信号量使处于挂起态的数据存储任务转为就绪态。键盘中断任务是通过 M16C62 的键盘中断来完成参数的设定，该任务以一个中断处理函数的形式来完成的。系统的程序流程图如图 2 所示。

图 2 系统主程序流图

3、结束语

把 uC/OS-II 移植到 M16C62 单片机中，并以 M16C62 单片机为微处理器构成一个实时多任务系统，不仅系统设计简洁、硬件结构相对与 51 系列单片机来说也要简单，而且具有较强的抗干扰能力和系统稳定性。以 M16C62 为微处理器，以 uC/OS-II 为实时操作系统构成的多任务系统能广泛应用在小型实时多任务系统中，具有较好的应用前景。

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