一种基于C51的多任务机制及应用

跳舞的猫

摘要：本文介绍了一种在MCS51单片机程序中实现多任务机制的简单方法，并给出了源代码和一个应用实例。通过中断进行实时任务切换，具有结构简单清晰、代码量少、不需使用汇编等优点。该方法亦可应用于其他单片机系统。
关键词：多任务系统 单片机 C51  中断 安防系统

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。
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
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