基于51单片机多任务机制及应用.doc

1 引言传统的单片机程序一般采用单任务机制，单任务系统具有简单直观、易于控制的优点。然而由于程序只能按顺序依次执行，缺乏灵活性，只能使用中断函数实时地处理一些较短的任务，在较复杂的应用中使用极为不便。嵌入式多任务操作系统的出现解决了这个问题。在多任务系统中可以同时执行多个并行任务，任务之间可以相互跳转。但是嵌入式操作系统在提供强大功能的同时，也带来了代码量大、结构复杂、对硬件要求较高、开发难度大且成本高等问题。而很多时候只需要实现简单的多任务操作就可以满足实际需要，本文设计的这种简单的多任务机制，在只增加极少量C语言代码的前提下，不需使用汇编，无需对原本的程序进行大改动，就可以实现多任务操作。实时操作系统RTOS的核心是中断，利用中断进行任务切换。在大部分RTOS如μC/OS-II中，每个任务都有自己的堆栈，用来保存任务的一些信息，任务之间通过信号量、邮箱、消息队列等传递信息。在很多情况下并不需要这些功能，只需要使单片机在接收到控制信号后，切换到不同的工作状态，也就是只要进行任务切换，不需要保存任务的相关信息。舍弃这些复杂的功能可以使程序结构变得简洁易用。2 两种机制在应用实例中的比较下面用一个应用实例来说明本设计的思路。要设计一个智能安防系统，它的功能包括：当有人入侵时执行报警工作；用户可以通过键盘板进行功能设置；主板能与管理中心进行通讯，当发生火灾、地震等灾情时，管理中心能通知用户。其结构如图1所示。平时状态下，主板的CPU不断地扫描各个传感器的状态。当检测到传感器的异常信号（有人闯入）时，CPU进入入侵报警状态，执行响警铃、拨打户主电话、通知管理中心等工作。当发生火灾地震时，管理中心发送一个串口代码给主板CPU，使CPU进入灾难报警状态，执行响警铃、语音报警等操作。用户需要进行功能设置时可以通过键盘板使主板CPU进入功能设置状态。因此主板的CPU有4种不同的工作状态。图1 智能安防系统结构示意图如果采用单任务机制, 主板的程序流程如图2所示。在主函数中循环检测传感器状态,如有异常则调用报警函数，灾难报警和功能设置在串口中断中完成。这种单任务结构有两个缺点。首先，在各种非平时状态中，程序需要不停地检测是否收到撤除信号，这个要求在程序代码量大、执行工作较多的情况下很难实现。其次，各状态之间的切换十分困难，用C语言写的程序为求模块化，一般函数数量较多，函数调用的嵌套层数也多，要从一个较深的嵌套立刻跳出到主函数，是非常困难的。一般的解决方法或是使用C51的库函数setjmp()和longjmp()实现长跳转，但是这两个函数在中断函数内部是无能为力的；再或是在C函数中嵌入汇编指令。虽然用汇编指令可以实现程序的长距离跳转，但是这种方法的调试过程十分烦琐，而且程序的可移植性差。对于习惯用C51编程而不想用汇编的设计者，该部分程序是一个难题。?图2 单任务机制程序流程3 实现多任务机制的程序结构本文提供了一种方法，可以在完全不使用汇编指令的前提下实现可移植性强的多任务程序，程序流程如图3所示。图3 多任务结构程序流程实现这个多任务机制的完整源代码如下：word idata PC_Value, SP_Value；//储存中断返回点、SP初值的全局变量byte idata Ctrl_Code;　//控制任务切换的全局变量，在中断函数里被赋值void main(){Initial(); 　//初始化函数，与程序结构无关SP_Value=SP;//获取ＳＰ的初始值PC_Value=Get_Next_PC();//获取下一条指令的地址EA=1;//获取PC、SP初值后再开中断保证稳定性if(Ctrl_Code!=0)SP=SP_Value;//重置堆栈指针，防止堆栈溢出switch( Ctrl_Code)//任务入口地址，即中断的返回点{case 1: goto　TASK1;case 2: goto　TASK2;case 3: goto　TASK3;default:　break;}TASK1: for( ; ; )　{ //任务1代码 }TASK2: for( ; ; )　{　//任务2代码 }TASK3: for( ; ; )　{ //任务2代码}}word Get_Next_PC(void)；//获取下一条指令的地址{?word address;?address=*((unsigned char *)SP); //PC的高字节?address = 8;?address+=*((unsigned char *)(SP-1));　//PC的低字节?return addres