中断多任务+状态机 单片机软件结构设计

mcu由于内部资源的限制，软件设计有其特殊性，程序一般没有复杂的算法以及数据结构，代码量也不大， 通常不会使用 OS (Operating System),  因为对于一个只有 若干K ROM, 一百多byte RAM的 mcu 来说，一个简单OS  也会吃掉大部分的资源。

 

对于无 os 的系统，流行的设计是主程序(主循环 ) + （定时）中断，这种结构虽然符合自然想法，不过却有很多不利之处，首先是中断可以在主程序的任何地方发生，随意打断主程序。其次主程序与中断之间的耦合性（关联度）较大，这种做法 使得主程序与中断缠绕在一起，必须仔细处理以防不测。

 

那么换一种思路，如果把主程序全部放入（定时）中断中会怎么样？这么做至少可以立即看到几个好处: 系统可以处于低功耗的休眠状态，将由中断唤醒进入主程序; 如果程序跑飞，则中断可以拉回；没有了主从之分（其他中断另计），程序易于模块化。

 

(题外话：这种方法就不会有何处喂狗的说法，也没有中断是否应该尽可能的简短的争论了)

 

为了把主程序全部放入（定时）中断中，必须把程序化分成一个个的模块，即任务，每个任务完成一个特定的功能，例如扫描键盘并检测按键。 设定一个合理的时基 (tick), 例如  5, 10 或 20 ms,  每次定时中断，把所有任务执行一遍，为减少复杂性，一般不做动态调度（最多使用固定数组以简化设计，做动态调度就接近 os 了），这实际上是一种无优先级时间片轮循的变种。来看看主程序的构成：

     

                void main()

                {

                   ….   // Initialize

                   while (true) {

                                IDLE；     //sleep

                   }

                }

 

这里的 IDLE 是一条sleep 指令，让 mcu 进入低功耗模式。中断程序的构成

 

                void Timer_Interrupt()

                {

                                 SetTimer();

                                 ResetStack();

                                 Enable_Timer_Interrupt;

                                 ….

 

 

进入中断后，首先重置Timer, 这主要针对8051, 8051 自动重装分频器只有 8-bit, 难以做到长时间定时；复位 stack ，即把stack 指针赋值为栈顶或栈底（对于 pic， TI DSP 等使用循环栈的 mcu 来说，则无此必要），用以表示与过去决裂，而且不准备返回到中断点，保证不会保留程序在跑飞时stack 中的遗体。Enable_Timer_Interrupt 也主要是针对8051。8051 由于中断控制较弱，只有两级中断优先级，而且使用了如果中断程序不用 reti 返回，则不能响应同级中断这种偷懒方法，所以对于8051, 必须调用一次 reti 来开放中断：

 

                 _Enable_Timer_Interrupt:

                                acall       _reti

                 _reti:        reti         

       

下面就是任务的执行了，这里有几种方法。第一种是采用固定顺序，由于mcu 程序复杂度不高，多数情况下可以采用这种方法：

 

…

                Enable_Timer_Interrupt;

                ProcessKey();

                RunTask2();

                …

                RunTaskN();

                while (1) IDLE；

 

可以看到中断把所有任务调用一遍，至于任务是否需要运行，由程序员自己控制。另一种做法是通过函数指针数组：

 

                #define CountOfArray(x) (sizeof(x)/sizeof(x[0]))

typedef void (*FUNCTIONPTR)();

 

const FUNCTIONPTR[] tasks = {

ProcessKey,

RunTask2，

…

RunTaskN

};

 

                void Timer_Interrupt()

                {

                                 SetTimer();

                                 ResetStack();

                                 Enable_Timer_Interrupt;

                     for (i=0; i

                                (*tasks[i])();

         while (1) IDLE；

}

 

 

使用const 是让数组内容位于 code segment （ROM) 而非 data segment (RAM) 中，8051 中使用 code作为 const 的替代品。

 

(题外话：关于函数指针赋值时是否需要取地址操作符 & 的问题，与数组名一样，取决于 compiler.对于熟悉汇编的人来说，函数名和数组名都是常数地址，无需也不能取地址。对于不熟悉汇编的人来说，用 & 取地址是理所当然的事情。Visual C++ 2005对此两者都支持)

 

这种方法在汇编下表现为散转, 一个小技巧是利用 stack 获取跳转表入口:

           

                                    mov                A, state

                                             acall                MultiJump

                                             ajmp               state0

                                             ajmp               state1

                                    ...

 

MultiJump:                  pop                DPH

                                 pop                DPL

                                 rl                    A

                                 jmp                @A+DPTR

 

 

还有一种方法是把函数指针数组（动态数组，链表更好，不过在 mcu 中不适用）放在 data segment中，便于修改函数指针以运行不同的任务，这已经接近于动态调度了：

 

FUNCTIONPTR[COUNTOFTASKS] tasks;

 

                tasks[0] = ProcessKey;

                tasks[0] = RunTaskM;

                tasks[0] = NULL;

 

                             ...

                            FUNCTIONPTR pFunc;

                for (i=0; i< COUNTOFTASKS; i++)  {

                          pFunc = tasks[i]);

                          if (pFunc != NULL)

                                      (*pFunc)();

                }

 

 

通过上面的手段，一个中断驱动的框架形成了，下面的事情就是保证每个 tick 内所有任务的运行时间总和不能超过一个 tick 的时间。为了做到这一点，必须把每个任务切分成一个个的时间片，每个tick 内运行一片。这里引入了状态机 (state machine) 来实现切分。关于 state machine,  很多书中都有介绍， 这里就不多说了。

 

(题外话：实践升华出理论，理论再作用于实践。我很长时间不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到学习UML/C++，书中介绍 tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然开朗。功夫在诗外，掌握 C++, 甚至C# JAVA, 对理解嵌入式程序设计，会有莫大的帮助)

 

状态机的程序实现相当简单，第一种方法是用 swich-case 实现：

 

            void RunTaskN()

                {

                switch (state) {

                                case 0: state0(); break;

                                case 1: state1(); break;

                                …

                                case M: stateM(); break;

                                default:

                                                state = 0;

                }

}

 

另一种方法还是用更通用简洁的函数指针数组：

           

const FUNCTIONPTR[] states = { state0, state1, …, stateM };

 

void RunTaskN()

{

(*states[state])();

}

 

下面是 state machine 控制的例子：

 

void state0() { }            

void state1() { state++; }   //  next state;

void state2() { state+=2; }   //  go to state 4;

void state3() { state--; }      //  go to previous state;

void state4() { delay = 100; state++; }

void state5() { delay--; if (delay <= 0) state++; }   //delay 100*tick

void state6() { state=0; }      //  go to the first state

 

一个小技巧是把第一个状态 state0 设置为空状态，即：

 

                void state0() { }

 

这样，state =0可以让整个task 停止运行，如果需要投入运行，简单的让 state = 1 即可。

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以下是一个键盘扫描的例子，这里假设 tick = 20 ms, ScanKeyboard() 函数控制口线的输出扫描，并检测输入转换为键码，利用每个state 之间 20 ms 的间隔去抖动。

 

                enum EnumKey {

EnumKey_NoKey =  0,

…

    };

                struct StructKey {

                                int                keyValue;

                                bool                keyPressed;

    } ;

 

struct StructKeyProcess key;

 

void ProcessKey() { (*states[state])(); }              

 

                void state0() { }            

                void state1() { key.keyPressed = false; state++; }

                void state2() { if (ScanKey() != EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if a key pressed

                void state3()

    {                                                               //debouncing state

                                key.keyValue = ScanKey();

                                if (key.keyValue == EnumKey_NoKey)

                                                state--;

                                else {

                                                key.keyPressed = true;      

                                                state++;

                                }                

    }  

    void state4() {  if (ScanKey() == EnumKey_NoKey) state++; }  //next state if the key released

                void state5() {  ScanKey() == EnumKey_NoKey? state = 1 : state--; }

 

 

上面的键盘处理过程显然比通常使用标志去抖的程序简洁清晰，而且没有软件延时去抖的困扰。以此类推，各个任务都可以划分成一个个的state, 每个state 实际上占用不多的处理时间。某些任务可以划分成若干个子任务，每个子任务再划分成若干个状态。

 

(题外话：对于常数类型，建议使用 enum 分类组织，避免使用大量 #define 定义常数)

 

对于一些完全不能分割，必须独占的任务来说，比如我以前一个低成本应用中红外遥控器的软件解码任务，这时只能牺牲其他的任务了。两种做法：一种是关闭中断，完全的独占;

 

            void RunTaskN()

    {

                Disable_Interrupt;

                …

                Enable_Interrupt;

    }          

 

第二种，允许定时中断发生，保证某些时基 register 得以更新;

 

                void Timer_Interrupt()

                {

                                SetTimer();

                                Enable_Timer_Interrupt;

                                UpdateTimingRegisters();

                                if (watchDogCounter = 0) {

                                               ResetStack();

                                                for (i=0; i

                                                                (*tasks[i])();

            while (1) IDLE；

        }

        else

                watchDogCounter--;          

    }

 

只要watchDogCounter 不为 0，那么中断正常返回到中断点，继续执行先前被中断的任务，否则，复位 stack, 重新进行任务循环。这种状况下，中断处理过程极短，对独占任务的影响也有限。

 

中断驱动多任务配合状态机的使用，我相信这是mcu 下无os 系统较好的设计结构。对于绝大多数mcu 程序设计来说，可以极大的减轻程序结构的安排，无需过多的考虑各个任务之间的时间安排，而且可以让程序简洁易懂。缺点是，程序员必须花费一定的时间考虑如何切分任务。

 

下面是一段用 C 改写的CD Player 中检测 disc 是否存在的伪代码，用以展示这种结构的设计技巧，原源代码为Z8 mcu 汇编, 基于 Sony 的 DSP, Servo and RF 处理芯片, 通过送出命令字来控制主轴/滑板/聚焦/寻迹电机，并读取状态以及 CD 的sub Q 码。这个处理任务只是一个大任务下用state machine切开的一个二级子任务，tick = 20 ms。

           

                state1() { InitializeMotor(); state++; }

                state2() { 

if (innerSwitch != ON) {

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorBackward);

timeout = MILLISECOND(10000)； 

state++;                // 滑板电机向内运动, 直至触及最内开关。

}

else

            state +=                2;

    }              

                state3() {

                                if ((--timeout) == 0) {   //note: some C compliers do not support (--timeout) ==

                                                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                                systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

                                                state = 0;    // 10 s 超时错误，

        }

        else {

                if (innerSwitch == ON) {

                                                        SendCommand(EnumCommand _SlidingMotorStop)

                                timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms电机停止时间 

                                state++;

                }

 

}

    }

                state4() { if ((--timeout) == 0) state++; }                  //等待电机完全停止

                state5() { 

SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorForward);

timeout = MILLISECOND(2000)； 

state++;

}                // 滑板电机向外运动,脱离inner switch

 

                state6() {

                                if ((--timeout) == 0) {    

                                                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                                systemErrorCode = EnumErrorCode_InnerSwitch;

                                                state = 0;              // 2 s 超时错误，

}

else {

                if (innerSwitch == OFF) {

                                                        SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop)

                                timeout = MILLISECOND(200);                  // 200ms电机停止时间 

                                state++;

                }

}

                }

                state7() { state4(); } 

                state8() { LaserOn(); state++; retryCounter = 3;}                 //打开激光器

                state9() {

SendCommand(FocusUp);

state++; 

timeout = MILLISECOND(2000)；

    }                  //光头上举，检测聚焦过零 3 次，判断cd 是否存在

               

                state10() {

                                if (FocusCrossZero)  {

                                                systemStatus.Disc = EnumStatus_DiscExist;   

                                                SendCommand(EnumCommand_AutoFocusOn);    //有cd, 打开自动聚焦。

                                    state = 0;                             //本任务结束。

                                    playProcess.state = 1;                //启动 play 任务

                                }

                                else if ((--timeout) == 0) {

                                                SendCommand(EnumCommand_ FocusClose);                  //光头聚焦复位

                                                if ((--retryCounter) == 0) {

                                                                systemStatus.Disc = EnumStatus_Nodisc;       //无盘

                                                                displayProcess.state = EnumDisplayState_NoDisc;  //显示闪烁的无盘  

                                                                LaserOff();

                                                                state = 0;                //任务停止

            }

            else

                            state--;                                 //再试               

        }

                }

 

    stateStop() {

                SendCommand(EnumCommand_SlidingMotorStop);

    SendCommand(EnumCommand_FocusClose); 

    state = 0;

    }