中斷多任務+狀態機 單片機軟件結構設計

對于無os的系統，流行的設計是主程序(主循環) +（定時）中斷，這種結構雖然符合自然想法，不過卻有很多不利之處，首先是中斷可以在主程序的任何地方發生，隨意打斷主程序。其次主程序與中斷之間的耦合性（關聯度）較大，這種做法使得主程序與中斷纏繞在一起，必須仔細處理以防不測。

那么換一種思路，如果把主程序全部放入（定時）中斷中會怎么樣？這么做至少可以立即看到幾個好處:系統可以處于低功耗的休眠狀態，將由中斷喚醒進入主程序;如果程序跑飛，則中斷可以拉回；沒有了主從之分（其他中斷另計），程序易于模塊化。

(題外話：這種方法就不會有何處喂狗的說法，也沒有中斷是否應該盡可能的簡短的爭論了)

為了把主程序全部放入（定時）中斷中，必須把程序化分成一個個的模塊，即任務，每個任務完成一個特定的功能，例如掃描鍵盤并檢測按鍵。設定一個合理的時基(tick),例如5, 10或20 ms,每次定時中斷，把所有任務執行一遍，為減少復雜性，一般不做動態調度（最多使用固定數組以簡化設計，做動態調度就接近os了），這實際上是一種無優先級時間片輪循的變種。來看看主程序的構成：

void main()

{

….// Initialize

while (true) {

IDLE；//sleep

}

}

這里的IDLE是一條sleep指令，讓mcu進入低功耗模式。中斷程序的構成

void Timer_Interrupt()

{

SetTimer();

ResetStack();

Enable_Timer_Interrupt;

….

進入中斷后，首先重置Timer,這主要針對8051, 8051自動重裝分頻器只有8-bit,難以做到長時間定時；復位stack，即把stack指針賦值為棧頂或棧底（對于pic，TI DSP等使用循環棧的mcu來說，則無此必要），用以表示與過去決裂，而且不準備返回到中斷點，保證不會保留程序在跑飛時stack中的遺體。Enable_Timer_Interrupt也主要是針對8051。8051由于中斷控制較弱，只有兩級中斷優先級，而且使用了如果中斷程序不用reti返回，則不能響應同級中斷這種偷懶方法，所以對于8051,必須調用一次reti來開放中斷：

_Enable_Timer_Interrupt:

acall_reti

_reti:reti

下面就是任務的執行了，這里有幾種方法。第一種是采用固定順序，由于mcu程序復雜度不高，多數情況下可以采用這種方法：

…

Enable_Timer_Interrupt;

ProcessKey();

RunTask2();

…

RunTaskN();

while (1) IDLE；

可以看到中斷把所有任務調用一遍，至于任務是否需要運行，由程序員自己控制。另一種做法是通過函數指針數組：

#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是讓數組內容位于code segment（ROM)而非data segment (RAM)中，8051中使用code作為const的替代品。

(題外話：關于函數指針賦值時是否需要取地址操作符&的問題，與數組名一樣，取決于compiler.對于熟悉匯編的人來說，函數名和數組名都是常數地址，無需也不能取地址。對于不熟悉匯編的人來說，用&取地址是理所當然的事情。Visual C++ 2005對此兩者都支持)

這種方法在匯編下表現為散轉,一個小技巧是利用stack獲取跳轉表入口:

movA, state

acallMultiJump

ajmpstate0

ajmpstate1

...

MultiJump:popDPH

popDPL

rlA

jmp@A+DPTR

還有一種方法是把函數指針數組（動態數組，鏈表更好，不過在mcu中不適用）放在data segment中，便于修改函數指針以運行不同的任務，這已經接近于動態調度了：

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)();

}

通過上面的手段，一個中斷驅動的框架形成了，下面的事情就是保證每個tick內所有任務的運行時間總和不能超過一個tick的時間。為了做到這一點，必須把每個任務切分成一個個的時間片，每個tick內運行一片。這里引入了狀態機(state machine)來實現切分。關于state machine,很多書中都有介紹，這里就不多說了。

(題外話：實踐升華出理論，理論再作用于實踐。我很長時間不知道我一直沿用的方法就是state machine，直到學習UML/C++，書中介紹tachniques for identifying dynamic behvior，方才豁然開朗。功夫在詩外，掌握C++,甚至C# JAVA,對理解嵌入式程序設計，會有莫大的幫助)

狀態機的程序實現相當簡單，第一種方法是用swich-case實現：

void RunTaskN()

{

switch (state) {

case 0: state0(); break;

case 1: state1(); break;

…

case M: stateM(); break;

default:

state = 0;

}

}

另一種方法還是用更通用簡潔的函數指針數組：

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

一個小技巧是把第一個狀態state0設置為空狀態，即：

void state0() { }

這樣，state =0可以讓整個task停止運行，如果需要投入運行，簡單的讓state = 1即可。