一个抢先式“裸奔"系统的设计

摘要：在一些资源比较紧张的嵌入式系统中，使用RTOS有时未必能够较好地满足系统较高的实时性要求。在软件设计时，可以借鉴抢先式RTOS实时调度内核的方法，实现更为高效的任务调度算法，从而实现系统更高的实时性要求。
关键词：嵌入式系统；抢先式调度；实时操作系统；STC12C5410

引言
    这是2007年笔者在基于STC12C5410的工控系统里采用的软件技术。系统中有两个以主从方式通过I2C总线进行数据通信的节点，作为I2C总线的从机节点，因MCU性能限制了数据传输速率，因而每次通过总线传输30个字节的数据需要持续占用几十ms的时间。由于在进行I2C总线通信的这段时间里，系统将不能响应输入和改变输出(类似系统停顿)，这么长的时间延迟对于有较高实时要求的工控系统显得难于容忍。
    为此，最初考虑解决问题的办法有3个：
    ①打断和拆分数据包，采用多次传输的办法。这样做不但需要修改从机的软件，多个数据包的连接又让软件变得复杂起来，所以这不是个很好的办法。
    ②由于I2C总线在进行数据传输中，波特率较低，存在大量短时delay()，可以采用定时中断，在定时中断中只变换一次电平后就返回，从而在后台完成数据发送。但这样就导致中断服务中必须执行一个很庞大的状态机判断，中断服务中大量的判断也非常耗时耗力，且调试也不方便。
    ③采用RTOS技术，但在80C51系统上使用RTOS，再精练的实时调度，每个tick的时间都很难低于1 ms。经测试，I2C总线传输中途遇到1 ms以上的传输中断，会产生总线超时错误，因而在本系统中即使采用RTOS也未必能很好地解决问题。
    通过一段时间对RTOS的分析和研究，最后在80C51的裸奔系统中嵌入特别定制的精练的抢先式调度来完成主要任务和I2C总线任务的并行执行，最终获得了很好的效果。
    下面就来详细地讲述这个定制的抢先式调度的编程技巧。

1 I2C总线通信子程序
    对I2C总线的时序在此就不作介绍了，下面是部分基于Keil C51模拟主I2C总线的通信子程序代码如下：
   
   
    上面是基于80C51模拟I2C总线的通信程序，其中的HIGH、LOW是1、0的宏定义，idelay()提供时序要求的一段时间的延时。
    不难看出，这和通常的模拟I2C总线的通信子程序完全一样。事实上，我也是直接使用了以前的子程序。[!--empirenews.page--]

2 程序主执行函数main()函数
   
   
    main()函数也非常简单。首先，调用Sys_init()完成单片机硬件系统的初始化；然后调用I2c_svr()，完成I2C总线通信系统的初始化，并执行数据传输，本函数稍后将作详细的介绍；接下来是一个while(1)主循环，其中的mainfunc()是执行主要任务的函数，完成系统的主要功能，并返回一个bool变量，这个变量用于I2C总线数据传输的请求；
    这里定义了一个bool型变量bi2csvr。作用：由mainfunc()执行结果来置位，系统根据此标志，启动数据通信，并在数据传输完成后清零这个标志。

3 I2C总线通信服务程序
    通信服务程序I2c_svr()函数代码如下：
   
    这个函数看起来也不复杂，但是需要读者用RTOS任务的概念来理解这个函数。
    首先，关于寄存器组，这里的I2C服务程序I2c_svr()使用了单独的寄存器组(寄存器组1)，由于#pragmarb(1)编译指令并不会让编译器自动生成切换寄存器组的指令，所以I2c_svr()中又通过修改PSW特殊寄存器来切换到工作寄存器组1。当然，要切换寄存器组，还需要确认在切换前，本函数没有使用工作寄存器。
    同时，I2c_svr()的初始化部分还执行了特殊功能寄存器压栈保存和切换堆栈指针SP，这些本是实时内核调度器里要完成的任务，在这里的出现相当于建立了新的任务。
    接下来的while(1)表明，这里相当于实时系统里的一个任务了。
    这个任务很简单，i2write()的功能就是通过I2C总线，发送数据缓冲区里所有的数据，在这里就不做详细介绍了。在发送完成后，清零数据发送请求标志位bi2csvr，然后执行延时等待。

4 定时中断和延时函数
    抢先系统的关键部分是定时中断timer1()和延时函数idelay()，代码如下：
   
    首先看tsksw()宏，它的作用是保存堆栈指针并切换堆栈。这等同于RTOS里任务的上下文切换，但这里仅切换一下堆栈指针即可。
    接下来看这个定时中断服务函数timer1()，其中systern_tmr()是个修改定时器TH0的函数，这里不作介绍了。随后，约束判断(后面再作详细介绍)再通过tsksw()函数进行任务间的切换。
    接下来看延时函数idelay()，它提供I2C总线时序里要求的延时函数。注意：我们通常都是使用若干nop或者类似“for(x=LOOP；x>0；x——)；”的延时来完成的，但这里一改这类传统的方式，而是通过“任务切换”将CPU控制权交给另外一个任务main来实现的。需要特别指出，idelay()里的关中断很重要，学习过RTOS的读者应该都记得RTOS里面的“临界段代码”的概念。
    最后，介绍上面未详细说明的定时中断服务函数timer1()中任务切换的约束判断。bi2csvr是I2C总线请求标志，如果这个标志为零，则表示不需要I2C总线的通信服务，定时中断里也就不需要做任务切换；此外，bi2cdly也是个控制切换的小技巧，该标志在idelay()中置位，在定时中断服务中判断并清零。也就是在执行idelay()后发生的第一次定时中断里只清除这个标志，而在第二次定时中断中才可能发生任务切换，以此保证idelay()的延时时间一定不少于一个定时器的溢出周期。
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5 程序运行流程
    程序初始化流程图如图1所示。

    首先，main()在完成硬件初始化Sys_init()后，调用I2c_svr()总线通信服务程序。
    I2c_svr()服务程序里，首先完成类似通用RTOS的任务现场保护的过程。再通过切换堆栈指针，完成了新任务堆栈的初始化过程。然后进入I2C总线通信模块主循环(类似创建任务的操作)，再通过调用idelay()，将CPU的控制权交还给main()。奥妙就在于idelay()首先保存通信程序的寄存器现场(ACC和PSW)，然后转换到main()的堆栈空间，并恢复刚才被I2c_svr()保存的寄存器现场(ACC和PSW)。所以；i2c_svr()里的idelay()函数返回后将不执行其下面的i2write()，而是执行main()里的while(1)。
    i2write()又如何能得到执行呢?它是通过定时中断服务程序timer1()再次获得CPU控制权的。如果在main()的执行中发生timer1()中断，因为timer1()里也进行与idelay()类似的任务切换操作，这时候将切换到I2c_svr()的堆栈和寄存器(现场)。此时timer1()中断返回时，不会返回到main()里，而是执行i2write()。
    另外，函数i2write()内部执行中也会调用idelay()，在I2c_svr()中的每次调用idelay()都会将CPU控制权交给main()的切换。main()和I2c_svr()的切换关系如图2所示。

    当然，timer1()并不总是引起任务的切换，通过判断bi2csvr标志可以避免(在不需要数据传输时)不必要的任务切换。另外，timer1()也可能进行从I2c_svr()到main()的切换。所以即使I2c_svr()里很长时间没有调用idelay()，也不会阻塞main()的执行。
    切换现场一般基于80C51的RTOS，通常要保存所有的CPU寄存器(包括8个工作寄存器、ACC、PSW、B、DPTR等)，而这里与它们不同，因为在笔者的通信服务模块I2c_svr()中使用了另外的寄存器组，且未使用B和DPTR，因此不需要保存8个工作寄存器及B和DPTR，仅保存和恢复PSW和ACC这两个寄存器就可以了，大大提高了切换效率。
    本系统里仅有两个“任务”，即main()和I2c_svr()，也没有固定优先级，处于“等待”状态任务的优先级总比当前运行中的任务高，所以相当于同优先级时间片轮转调度方式。但相对于RTOS，这里还缺少操作系统必须管理的与任务相关的状态和数据结构，所以笔者还将其称做“裸奔”系统。

6 现场保护的补充说明
    任务切换中的寄存器现场保护代码如下：
   
   
    上面是Keil C51对定时中断服务函数timer1()编译生成的LST文件。编译器在中断服务里自动生成压栈和出栈寄存器的指令，所以在写idelay()函数的寄存器现场切换的时候，必须完全遵守这个寄存器压栈和出栈顺序规则才能正常工作。

结语
    通过学习和借鉴RTOS的CPU时间抢先调度和分配方法，可以将本系统中总线时序里许多很短的延时都交给主程序使用，最大程度利用CPU时间，实现主程序和通信服务程序的并行执行，从而让主程序和通信服务程序均达到系统要求的实时性能。
    本文为时间紧张的系统设计提供了一个新的解决思路。应该有助于初学操作系统的读者理解操作系统任务切换的工作机理。