時(shí)間觸發(fā)模式下的ProtothreadS設(shè)計(jì)應(yīng)用

1 概 述
    嵌入式行業(yè)的飛速發(fā)展使得嵌入式芯片的容量和功能都在不斷地提升。以工業(yè)應(yīng)用最為常見(jiàn)的8位微控制器為例，其ROM和RAM的容量都在不斷擴(kuò)大，甚至一些高端的8位處理器可以使用簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)(OS)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。同時(shí)，32位處理器的廣泛普及也使得其價(jià)格逐漸逼近8位處理器。所以對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化和迅速成為最主要的目標(biāo)。尤其是當(dāng)使用一款新的處理器或者硬件電路時(shí)，快速的搭建其開(kāi)發(fā)的框架變得尤其重要。在嵌入式系統(tǒng)中，通常會(huì)采用兩種不同的任務(wù)管理和調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式以事件的發(fā)生為核心，往往會(huì)采用多級(jí)中斷的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其發(fā)生的時(shí)間具有隨機(jī)性。所以事件觸發(fā)方式具有較好的實(shí)時(shí)性，但是這樣也意味著該系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜度。而且，事件觸發(fā)方式的開(kāi)銷往往是很大的。Alexander Metzner的研究指出：一個(gè)包含27個(gè)任務(wù)、采用RM(Rate Mono—tonic)調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實(shí)際利用率僅為18％。
    而時(shí)間觸發(fā)方式開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，保證了在同一時(shí)刻只處理一個(gè)事件，雖然犧牲了并發(fā)處理的實(shí)時(shí)性，但是保證了系統(tǒng)的可靠性，并且使得程序員能很好地預(yù)測(cè)程序的流程。Kopetz就指出：使用基于時(shí)間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會(huì)使得系統(tǒng)有非常好的可預(yù)測(cè)性。在本項(xiàng)目中，嵌入式系統(tǒng)的功能主要集中在控制一些具有一定時(shí)隙間隔的外圍設(shè)備上面。鍵盤(pán)的掃描、顯示的刷新、數(shù)據(jù)緩沖的存儲(chǔ)等都是需要定期完成的任務(wù)，而這些任務(wù)的實(shí)時(shí)要求也并不高，所以選用時(shí)間觸發(fā)方式的合作式調(diào)度器成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。
    Protothrcads利用隱式的return提供了阻塞的功能，經(jīng)過(guò)Protothrcads封裝的任務(wù)，其程序的邏輯更加接近處理事件的上層邏輯，大大簡(jiǎn)化了編程。而且使用簡(jiǎn)單的宏就可以實(shí)現(xiàn)Protothrcads，其開(kāi)銷也是很小的。本文就對(duì)使用Protothrcads應(yīng)用于時(shí)間觸發(fā)模式的合作式調(diào)度器做一些討論。

2 Protothreads簡(jiǎn)介
    Protothrcads是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的科學(xué)家Adam Dunkels所創(chuàng)的一種新的線程編程方法。按AdamDunkels所說(shuō)，Protothreads是專為資源緊張的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種耗費(fèi)資源少，且不使用堆棧的線程模型，它可以不使用復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)順序流的控制。Proto—thrcads也可以用于操作系統(tǒng)當(dāng)中。
    簡(jiǎn)單地說(shuō)，Protothrcads借鑒了用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)協(xié)同(co—routine)的原理，它應(yīng)用switch—case語(yǔ)句的直接跳轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)了有條件阻塞(conditional block)，最終實(shí)現(xiàn)了虛擬的并行處理功能(concurrent)。實(shí)際上，Protothrcads并不是真正的線程，在多任務(wù)的切換中并不會(huì)真正涉及上下文的切換，其線程的調(diào)度也僅僅是依靠隱式的return，進(jìn)而退出函數(shù)體來(lái)完成的。但是Protothreads的優(yōu)點(diǎn)卻是實(shí)實(shí)在在的。首先它不需要堆?？臻g，而正如筆者用宏實(shí)現(xiàn)的那樣，Protothrcads也實(shí)現(xiàn)了很多只有線程編程方法才能實(shí)現(xiàn)的機(jī)制，比如阻塞。而用宏進(jìn)行了封裝之后，使用者完全可以像使用線程一樣使用它們，而且其邏輯更加簡(jiǎn)化，這大大增加了程序的清晰度，并降低了開(kāi)發(fā)維護(hù)的難度。
    在對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高或者說(shuō)要求并行處理的場(chǎng)合，往往需要在任務(wù)A執(zhí)行到一定程度、等待事件C發(fā)生時(shí)，退出當(dāng)前任務(wù)A并轉(zhuǎn)而執(zhí)行任務(wù)B；當(dāng)事件C發(fā)生之后，系統(tǒng)繼續(xù)回到任務(wù)A，繼續(xù)方才的執(zhí)行。所以必須將任務(wù)A上次執(zhí)行到地方的環(huán)境存儲(chǔ)起來(lái)，以便重回任務(wù)A后可以接著打斷的地方繼續(xù)運(yùn)行。線程的上下文切換可以達(dá)到這個(gè)目的，Simon Tatham用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的co—routine也可以。Protothreads正是借鑒了這一原理，如以下任務(wù)函數(shù)所示：

    可以看出，在進(jìn)行了宏擴(kuò)展之后，下面的程序段和上面的程序段是完全相同的，但是宏封裝很好地構(gòu)建了一個(gè)上層的邏輯體系。這正是Protothreads的核心所在。同時(shí)，這也決定了Protothreads具有一定的局限：
    ①Protothreads中使用的必須是靜態(tài)變量或者全局變量；
    ②避免與switch語(yǔ)句的合用(Protothreads的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)用了switch語(yǔ)句)；
    ③因?yàn)榫幾g器會(huì)將__LINE__解釋為當(dāng)前所在的行號(hào)，所以不能將多個(gè)“返回”置于同一行。

3 調(diào)度器設(shè)計(jì)
    時(shí)間觸發(fā)方式的嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)定時(shí)器產(chǎn)生的恒定間隔的中斷來(lái)觸發(fā)和管理任務(wù)的。系統(tǒng)依靠一個(gè)基準(zhǔn)的時(shí)間中斷，以此中斷為任務(wù)處理的節(jié)奏和“節(jié)拍”，任務(wù)的調(diào)度發(fā)生在“節(jié)拍”規(guī)定的時(shí)刻。中斷服務(wù)子程序也同樣占用這個(gè)時(shí)間間隔，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一方面要使中斷服務(wù)子程序盡可能短，以節(jié)省任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間；另一方面，執(zhí)行的任務(wù)也應(yīng)該盡可能短，一些比較耗時(shí)的任務(wù)可以細(xì)分為若干個(gè)子任務(wù)加以調(diào)度。同時(shí)，這也要求調(diào)度器的設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單。本文的設(shè)計(jì)思想就是對(duì)于系統(tǒng)僅僅定義一個(gè)任務(wù)控制塊(TCB)隊(duì)列，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于隊(duì)列中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，由中斷服務(wù)子程序更改TCB隊(duì)列中的記錄，調(diào)度函數(shù)根據(jù)此TCB來(lái)進(jìn)行調(diào)度?？梢月晕⑿薷腜roto—threads中的結(jié)構(gòu)體pt，以滿足作為T(mén)CB隊(duì)列節(jié)點(diǎn)的需要。當(dāng)然，此結(jié)構(gòu)也需要聲明為全局變量或者靜態(tài)變量。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

    按照Protothreads的定義，lc_t類型就是unsignedshort類型。每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)pt結(jié)構(gòu)。將pt結(jié)構(gòu)修改以后，還必須對(duì)Protothreads提供的一些功能函數(shù)做一些修改。比如，可以將PT_INIT(&pt)更改為PT_INIT(&pt，10，0)，表示該任務(wù)10 ms執(zhí)行一次，且ready的初始值為O。隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)使用指針數(shù)組。
    在時(shí)間觸發(fā)模式的系統(tǒng)中，定時(shí)器中斷作為系統(tǒng)一個(gè)固定的時(shí)間片，在具體實(shí)現(xiàn)中可以設(shè)置成CTC模式。這個(gè)時(shí)間片的選擇必須依據(jù)具體的應(yīng)用，設(shè)置得過(guò)大會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的時(shí)效性造成比較大的影響，過(guò)小又會(huì)給調(diào)度器造成明顯的負(fù)擔(dān)，而且壓縮任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間會(huì)使程序流程的可預(yù)測(cè)性受到影響。因?yàn)楸疚乃婕叭蝿?wù)的周期大多是若干ms，所以可以將定時(shí)器中斷設(shè)置為1 ms。ISR的執(zhí)行流程大致如下：每一次定時(shí)中斷，將任務(wù)的count值減1，直到count為O時(shí)表明該任務(wù)的間隔時(shí)間已到可以執(zhí)行了，并且將初值重新賦給count，以重新開(kāi)始下輪計(jì)數(shù)。具體程序如下：

    調(diào)度函數(shù)快速輪詢各個(gè)任務(wù)的TCB。因?yàn)槎〞r(shí)器中斷會(huì)定期更新任務(wù)的TCB信息，所以調(diào)度函數(shù)就可以根據(jù)TCB中ready的值來(lái)判斷是否需要執(zhí)行某任務(wù)。執(zhí)行任務(wù)過(guò)后清零該ready值。

    如果任務(wù)task_XXX在執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生中斷，ready值沒(méi)有被清零，待中斷返回后會(huì)繼續(xù)執(zhí)行之前的任務(wù)，但是這樣會(huì)使得下一時(shí)隙任務(wù)的執(zhí)行延遲，造成系統(tǒng)的安全隱患，所以應(yīng)當(dāng)盡量避免長(zhǎng)任務(wù)的出現(xiàn)。而如果在任務(wù)執(zhí)行中出現(xiàn)條件阻塞(如PT_WAIT_UNTIL)，則正好可以發(fā)揮Protothreads提供的并行處理能力，并且在處理類似鍵盤(pán)掃描的狀態(tài)機(jī)任務(wù)時(shí)具有很好的邏輯性和清晰度。當(dāng)然，這樣做的前提是：這里的任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不高，允許出現(xiàn)一定的時(shí)延。
    整個(gè)main()函數(shù)定義3個(gè)任務(wù)task_A、task_B和task_C，并且分別給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)結(jié)構(gòu)體pt_A、pt_B和pt_C。3個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期分別是10 ms、15 ms和2ms。調(diào)度函數(shù)處于一個(gè)大循環(huán)中。具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

4 總結(jié)和展望
    Protothreads為嵌入式系統(tǒng)提供了很好的并行處理能力，而且非常易于操作；在時(shí)間觸發(fā)模式的系統(tǒng)中，Pro—tothreads依然能夠發(fā)揮其巨大的作用。在本文中筆者的設(shè)計(jì)很好地達(dá)到了實(shí)際的要求，最大程度上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維護(hù)。當(dāng)然，應(yīng)用Protothreads更加巧妙的設(shè)計(jì)方法和理念還需要不斷地實(shí)踐和總結(jié)。