單片機多任務(wù)的時間片方式實現(xiàn)

引言
由于單片機具有價格低、運行要求低、易于開發(fā)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。但是，單片機的位數(shù)少、頻率低、內(nèi)存小、I／O口少等缺點限制了其加載操作系統(tǒng)的可能。因此，單片機不能像ARM等較高性能的處理器一樣，利用加載的操作系統(tǒng)實現(xiàn)管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等功能。
但是，我們可以根據(jù)單片機所擁有的內(nèi)存大小、CPU頻率等因素，來為單片機量身定做一個小型的操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)單片機的多任務(wù)運行。

1 微機實現(xiàn)多任務(wù)的方式
微機實現(xiàn)多任務(wù)的方式一般是由加載的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的。通過操作系統(tǒng)提供的函數(shù)來創(chuàng)建多進程或者多線程來實現(xiàn)多任務(wù)方式。由于多進程耗費的資源多，而多線程的開銷相對小的多，因此我們采用單片機模仿多線程的方式來實現(xiàn)。
操作系統(tǒng)創(chuàng)建多個線程后，將管理各個線程占用CPU的時間。操作系統(tǒng)以輪換方式向線程提供CPU時間片，從而使多個線程看起來是同時運行的，而不是等待一個線程執(zhí)行結(jié)束后再去執(zhí)行下一個線程。
PC(Program Counter，程序計數(shù)器)是用于存放下一條指令地址的地方。某個線程正在占用CPU時間，其實是PC值指向該線程所占的內(nèi)存，并正在逐條取到CPU寄存器中進行運算。該時間片結(jié)束后，PC值要指向下一個線程所占用的內(nèi)存中，進行類似的運算。其他線程都輪流一遍后，將又回到原來那個線程暫停的位置繼續(xù)運算。所以，從一個線程轉(zhuǎn)換到另外一個線程去執(zhí)行時，要保存此線程的“現(xiàn)場”，包括此線程下一條指令的位置(PC值)、此線程所使用的各個寄存器值等。當(dāng)此線程又擁有CPU時間時，將保存的PC值賦給PC寄存器，保存的各個寄存器值再賦給各個寄存器。
除了保存“現(xiàn)場”與恢復(fù)“現(xiàn)場”外，另外關(guān)鍵的一點是，操作系統(tǒng)能夠改變PC值——強制把使用CPU的權(quán)限從一個任務(wù)切換到另一個任務(wù)，這就用到了中斷。微機是用操作系統(tǒng)來管理中斷的，用戶只能間接使用中斷。

2 單片機實現(xiàn)多任務(wù)的思路
由上面的介紹，我們知道微機中多線程輪流占用CPU時間，關(guān)鍵點在于：
①保存“現(xiàn)場”與恢復(fù)“現(xiàn)場”，即保存和恢復(fù)下一條指令的位置和通用寄存器的值。
②能夠改變PC值，從而可以在多個線程中進行切換，以便同時運行。
在51系列單片機中，如何實現(xiàn)上面的兩個關(guān)鍵點呢?
(1)保存此“現(xiàn)場”，恢復(fù)另一“現(xiàn)場”
給每個任務(wù)開辟一個堆棧，各個任務(wù)的堆棧不能交叉。各個任務(wù)的對應(yīng)堆棧用于實現(xiàn)以下功能：
①保存“現(xiàn)場”，在PC離開此任務(wù)前保存該任務(wù)所用到的通用寄存器值(寄存器A、B、Rn和位寄存器C等)。
②恢復(fù)“現(xiàn)場”，先獲得下一個任務(wù)的堆棧地址，然后取出堆棧中所保存的通用寄存器值；
③在調(diào)用子函數(shù)時，用以保存下一條指令的地址。
(2)每隔一段時間片，改變PC值幾乎所有的處理器指令中，沒有可以直接改變PC值的指令，但是系統(tǒng)發(fā)生中斷時可以改變PC值，中斷流程如圖1所示。

由圖1可以看出，在倒數(shù)第二個步驟中，單片機會把棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)彈出給PC，由此來改變PC值，進而來改變程序的執(zhí)行流程。所以，我們可以在出棧彈出字節(jié)給PC前改變棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)的內(nèi)容，進而主動改變PC值。
有了主動改變PC值的能力，我們就可以將這個中斷設(shè)為定時器中斷，每隔一段時間來切換PC值，進而實現(xiàn)多任務(wù)運行。