小容量单片机系统的C语言程序结构

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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<proc_cnt;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<proc_cnt;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;cnt<proc_cnt;cnt++){
      if(!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。

 

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