51單片機多任務操作系統的原理與實現
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本文引用地址：http://www.104case.com/article/201701/342566.htm
好了,現在要給大家潑冷水了,看下面兩個函數:
void func1()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
}
void func2()
{
register char data i;
i = 5;
do{
func1();
}while(--i);
}
父函數fun2()里調用func1(),展開匯編代碼看看:
193: void func1(){
194: register char data i;
195: i = 5;
C:0x00C3 7F05 MOV R7,#0x05
196: do{
197: sigl = !sigl;
C:0x00C5 B297 CPL sigl(0x90.7)
198: }while(--i);
C:0x00C7 DFFC DJNZ R7,C:00C5
199: }
C:0x00C9 22 RET
200: void func2(){
201: register char data i;
202: i = 5;
C:0x00CA 7E05 MOV R6,#0x05
203: do{
204: func1();
C:0x00CC 11C3 ACALL func1(C:00C3)
205: }while(--i);
C:0x00CE DEFC DJNZ R6,C:00CC
206: }
C:0x00D0 22 RET
看清楚沒?函數func2()里的變量使用了寄存器R6,而在func1和func2里都沒保護.
聽到這里,你可能又要跳一跳了:func1()里并沒有用到R6,干嘛要保護?沒錯,但編譯器是怎么知道func1()沒用到R6的呢?是從調用關系里推測出來的.
一點都沒錯,KEIL會根據函數間的直接調用關系為各函數分配寄存器,既不用保護,又不會沖突,KEIL好棒哦!!等一下,先別高興,換到多任務的環境里再試試:
void func1()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
}
void func2()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
}
展開匯編代碼看看:
193: void func1(){
194: register char data i;
195: i = 5;
C:0x00C3 7F05 MOV R7,#0x05
196: do{
197: sigl = !sigl;
C:0x00C5 B297 CPL sigl(0x90.7)
198: }while(--i);
C:0x00C7 DFFC DJNZ R7,C:00C5
199: }
C:0x00C9 22 RET
200: void func2(){
201: register char data i;
202: i = 5;
C:0x00CA 7F05 MOV R7,#0x05
203: do{
204: sigl = !sigl;
C:0x00CC B297 CPL sigl(0x90.7)
205: }while(--i);
C:0x00CE DFFC DJNZ R7,C:00CC
206: }
C:0x00D0 22 RET
看到了吧?哈哈,這回神仙也算不出來了.因為兩個函數沒有了直接調用的關系,所以編譯器認為它們之間不會產生沖突,結果分配了一對互相沖突的寄存器,當任務從func1()切換到func2()時,func1()中的寄存器內容就給破壞掉了.大家可以試著去編譯一下下面的程序:
sbit sigl = P1^7;
void func1()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
task_switch();
} while (--i);
}
void func2()
{
register char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
task_switch();
}while(--i);
}
我們這里只是示例,所以仍可以通過手工分配不同的寄存器避免寄存器沖突,但在真實的應用中,由于任務間的切換是非常隨機的,我們無法預知某個時刻哪個寄存器不會沖突,所以分配不同寄存器的方法不可取.那么,要怎么辦呢?
這樣就行了:
sbit sigl = P1^7;
void func1()
{
static char data i;
while(1){
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
task_switch();
}while(--i);
}
}
void func2()
{
static char data i;
while(1){
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
task_switch();
}while(--i);
}
}
將兩個函數中的變量通通改成靜態就行了.還可以這么做:
sbit sigl = P1^7;
void func1()
{
register char data i;
while(1){
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
task_switch();
}
}
void func2()
{
register char data i;
while(1){
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
task_switch();
}
}
即,在變量的作用域內不切換任務,等變量用完了,再切換任務.此時雖然兩個任務仍然會互相破壞對方的寄存器內容,但對方已經不關心寄存器里的內容了.
以上所說的,就是"變量覆蓋"的問題.現在我們系統地說說關于"變量覆蓋".
變量分兩種,一種是全局變量,一種是局部變量(在這里,寄存器變量算到局部變量里).
對于全局變量,每個變量都會分配到單獨的地址.
而對于局部變量,KEIL會做一個"覆蓋優化",即沒有直接調用關系的函數的變量共用空間.由于不是同時使用,所以不會沖突,這對內存小的51來說,是好事.
但現在我們進入多任務的世界了,這就意味著兩個沒有直接調用關系的函數其實是并列執行的,空間不能共用了.怎么辦呢?一種笨辦法是關掉覆蓋優化功能.呵呵,的確很笨.
比較簡單易行一個解決辦法是,不關閉覆蓋優化,但將那些在作用域內需要跨越任務(換句話說就是在變量用完前會調用task_switch()函數的)變量通通改成靜態(static)即可.這里要對初學者提一下,"靜態"你可以理解為"全局",因為它的地址空間一直保留,但它又不是全局,它只能在定義它的那個花括號對{}里訪問.
靜態變量有個副作用,就是即使函數退出了,仍會占著內存.所以寫任務函數的時候,盡量在變量作用域結束后才切換任務,除非這個變量的作用域很長(時間上長),會影響到其它任務的實時性.只有在這種情況下才考慮在變量作用域內跨越任務,并將變量申明為靜態.
事實上,只要編程思路比較清析,很少有變量需要跨越任務的.就是說,靜態變量并不多.
說完了"覆蓋"我們再說說"重入".
所謂重入,就是一個函數在同一時刻有兩個不同的進程復本.對初學者來說可能不好理解,我舉個例子吧:
有一個函數在主程序會被調用,在中斷里也會被調用,假如正當在主程序里調用時,中斷發生了,會發生什么情況?
void func1()
{
static char data i;
i = 5;
do{
sigl = !sigl;
}while(--i);
}
假定func1()正執行到i=3時,中斷發生,一旦中斷調用到func1()時,i的值就被破壞了,當中斷結束后,i == 0.
以上說的是在傳統的單任務系統中,所以重入的機率不是很大.但在多任務系統中,很容易發生重入,看下面的例子:
void func1()
{
....
delay();
....
}
void func2()
{
....
delay();
....
}
void delay()
{
static unsigned char i;//注意這里是申明為static,不申明static的話會發生覆蓋問題.而申明為static會發生重入問題.麻煩啊
for(i=0;i<10;i++)
task_switch();
}
兩個并行執行的任務都調用了delay(),這就叫重入.問題在于重入后的兩個復本都依賴變量i來控制循環,而該變量跨越了任務,這樣,兩個任務都會修改i值了.
重入只能以防為主,就是說盡量不要讓重入發生,比如將代碼改成下面的樣子:
#define delay() {static unsigned char i; for(i=0;i<10;i++) task_switch();}//i仍定義為static,但實際上已經不是同一個函數了,所以分配的地址不同.
void func1()
{
....
delay();
....
}
void func2()
{
....
delay();
....
}
用宏來代替函數,就意味著每個調用處都是一個獨立的代碼復本,那么兩個delay實際使用的內存地址也就不同了,重入問題消失.
但這種方法帶來的問題是,每調用一次delay(),都會產生一個delay的目標代碼,如果delay的代碼很多,那就會造成大量的rom空間占用.有其它辦法沒?
本人所知有限,只有最后一招了:
void delay() reentrant
{
unsigned char i;
for(i=0;i<10;i++)
task_switch();
}
加入reentrant申明后,該函數就可以支持重入.但小心使用,申明為重入后,函數效率極低!
最后附帶說下中斷.因為沒太多可說的,就不單獨開章了.
中斷跟普通的寫法沒什么區別,只不過在目前所示例的多任務系統里因為有堆棧的壓力,所以要使用using來減少對堆棧的使用(順便提下,也不要調用子函數,同樣是為了減輕堆棧壓力)
用using,必須用#pragma NOAREGS關閉掉絕對寄存器訪問,如果中斷里非要調用函數,連同函數也要放在#pragma NOAREGS的作用域內.如例所示:
#pragma SAVE
#pragma NOAREGS //使用using時必須將絕對寄存器訪問關閉
void clock_timer(void) interrupt 1 using 1 //使用using是為了減輕堆棧的壓力
}
#pragma RESTORE
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