利用多線程思想實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的偽并行處理

1． 引言

隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的，優(yōu)秀的編程思想被提出來(lái)，并付諸實(shí)踐。在某些方面已出現(xiàn)了根本性的變革。另一方面，單片機(jī)自從80年代誕生以來(lái)，便以飛快的速度發(fā)展起來(lái)，但由于其物理?xiàng)l件的限制，單片機(jī)控制系統(tǒng)的編程仍然局限于經(jīng)驗(yàn)的模式，很少應(yīng)用那些新提出的高級(jí)語(yǔ)言的編程思想。如果將不斷發(fā)展的編程思想與廣泛應(yīng)用的單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，一定會(huì)大大促進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。使其更廣泛的應(yīng)用于各個(gè)方面。

在下面這個(gè)具體項(xiàng)目中，實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)有一些比較苛刻的要求。按照一般的單線程的控制方法已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求。具體情況如表1（表1所示為生化分析儀的設(shè)計(jì)中對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的要求的一部分）

表1

表1所示只占了整個(gè)系統(tǒng)要求的1/6。下面對(duì)表1中的幾項(xiàng)內(nèi)容加以說(shuō)明。

對(duì)象M1開(kāi)始動(dòng)作17操作，即首先步進(jìn)電機(jī)M1（正向）轉(zhuǎn)動(dòng)查找光電開(kāi)關(guān)信號(hào)PS1；查到后執(zhí)行兩次‘過(guò)程1‘。過(guò)程1：向電機(jī)打出30拍。由表1可知該動(dòng)作從C  段執(zhí)行到  K段停止；

對(duì)象M2即步進(jìn)電機(jī)M2等對(duì)象M1執(zhí)行完動(dòng)作17后執(zhí)行動(dòng)作23等。對(duì)象M3和對(duì)象M4 則在開(kāi)始時(shí)同時(shí)啟動(dòng)，分別執(zhí)行各自的動(dòng)作。各個(gè)對(duì)象之間有的獨(dú)立，有的相互關(guān)聯(lián)。

整個(gè)項(xiàng)目需要控制16臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，21個(gè)電磁閥，3個(gè)泵，1個(gè)直流電機(jī)，系統(tǒng)要求全部執(zhí)行時(shí)間為6秒鐘，系統(tǒng)要求步進(jìn)電機(jī)以其最快的速度 -----40us—60us打拍。如果以單線程的方式編程讓一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)到位之后，再轉(zhuǎn)其他電機(jī)。這樣16臺(tái)電機(jī)打一拍就需要640us---960us 已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)要求。這就需要使單片機(jī)并行控制多臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種以并行的方式驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)可以在最短的時(shí)間將各個(gè)電機(jī)同時(shí)到位。在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的同時(shí)還需要檢測(cè)一些開(kāi)關(guān)量已確定電機(jī)的位置。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。下面提供第一種解決方案(此方案是常用的方案之一，但作者并不推薦這個(gè)方案。因?yàn)檫@個(gè)方案成本太高。)。

方案一：  硬件實(shí)現(xiàn)。

我們可以用多個(gè)CPU，將各個(gè)電機(jī)的控制分到不同的CPU中執(zhí)行，并可將不互相沖突的電機(jī)控制過(guò)程放到一個(gè)CPU中，其結(jié)構(gòu)如圖1

圖1多cpu實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)圖

如圖所示系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)主CPU，其功能為與計(jì)算機(jī)通訊，并將計(jì)算機(jī)下達(dá)的指令分發(fā)給相應(yīng)的從CPU，更主要的是主CPU將監(jiān)控整個(gè)并行控制的運(yùn)作。因?yàn)楦鱾€(gè)控制過(guò)程之間有的彼此關(guān)聯(lián)，所以主CPU不僅要控制各個(gè)線程的執(zhí)行，還要兼顧線程之間的通訊。以表1為例，具體作法如下：

1．開(kāi)始后，主CPU發(fā)給從CPU1一個(gè)信號(hào)，從CPU啟動(dòng)對(duì)象M1進(jìn)行動(dòng)作17，并由從CPU向主CPU返回一個(gè)信號(hào)。主CPU收到信號(hào)后，置起標(biāo)志1。當(dāng)對(duì)象M1進(jìn)行完動(dòng)作17后，從CPU向主CPU發(fā)出信號(hào)，CPU將標(biāo)志1清掉。

2．開(kāi)始后，主CPU發(fā)給從M2一個(gè)信號(hào)，從CPU啟動(dòng)對(duì)象M2。從CPU向主CPU不斷查詢(xún)標(biāo)志1。當(dāng)標(biāo)志1被清掉后，從//控制對(duì)象2執(zhí)行動(dòng)作23。

3．開(kāi)始后，主CPU發(fā)給從CPU一個(gè)信號(hào)，從CPU啟動(dòng)對(duì)象M3和對(duì)象M4。執(zhí)行動(dòng)作25，然后開(kāi)電磁閥6，然后延時(shí)1秒，關(guān)電磁閥6，執(zhí)行動(dòng)作24，然后執(zhí)行動(dòng)作26，等////1的動(dòng)作17完成后，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)20，執(zhí)行動(dòng)作25，等等。

如上所說(shuō), 主CPU設(shè)置了多個(gè)標(biāo)志位用以跟蹤各個(gè)線程的運(yùn)行情況。并用這些標(biāo)志位承擔(dān)了各個(gè)相關(guān)線程之間的通訊。凡是線程運(yùn)行到與其他線程相關(guān)的地方都會(huì)在主CPU 內(nèi)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位以供其它相關(guān)線程查詢(xún)。而那些不相關(guān)的線程可以完全獨(dú)立運(yùn)行。相關(guān)線程除了需檢測(cè)標(biāo)志的部分，其他部分也可獨(dú)立運(yùn)行。

這種多CPU控制的作法實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的并行運(yùn)作方式。但多CPU的控制方案成本幾乎是成倍提高，而且在硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的多CPU之間的通訊花費(fèi)時(shí)間稍長(zhǎng)。并且容易有干擾。

方案二(作者推薦): 另一種實(shí)現(xiàn)的方法是在軟件的層面上模擬多cpu的運(yùn)作。從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的偽并行處理.這種實(shí)現(xiàn)方法借鑒了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多線程的編程方法。

多線程編程編程思想,即：同時(shí)給CPU分配了幾個(gè)任務(wù)或線程。當(dāng)然計(jì)算機(jī) CPU實(shí)際上不可能同一時(shí)間做幾件事，而是把時(shí)間分到不同的線程，使每個(gè)線程都有點(diǎn)進(jìn)展。如果一個(gè)線程無(wú)法進(jìn)行，比如線程要求的鍵盤(pán)輸入尚未取得，則轉(zhuǎn)入另一個(gè)線程的工作。通常，CPU在線程間的切換非常迅速，使人們感覺(jué)好象所有的線程是同時(shí)進(jìn)行的。

多線程編程中有一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)：各個(gè)線程之間的通訊與控制問(wèn)題

在多線程編程中，每個(gè)線程都用編碼提供線程的行為，用數(shù)據(jù)供給編碼操作。多個(gè)線程同時(shí)處理同一編碼和數(shù)據(jù)，不同線程可能各有不同的編碼和數(shù)據(jù)。事實(shí)上，編碼和數(shù)據(jù)部分是相當(dāng)獨(dú)立的，需要時(shí)即可向線程提供。因此經(jīng)常是幾個(gè)線程使用同一段編碼和數(shù)據(jù)這就會(huì)出現(xiàn)下面的情況

當(dāng)一個(gè)線程在調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)線程可能正在修改這些數(shù)據(jù)。則前一個(gè)線程所調(diào)用的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不確定性。這會(huì)影響整個(gè)運(yùn)行結(jié)果。為了避免這個(gè)問(wèn)題，多線程編程中，各個(gè)線程之間通訊和控制尤為重要。在將多線程的思想向單片機(jī)控制系統(tǒng)移植時(shí)，這點(diǎn)要非常注意。因?yàn)橄到y(tǒng)多線程運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)從其最基本的層面看仍然是單線程的操作；他的實(shí)現(xiàn)歸根結(jié)底是利用了計(jì)算機(jī)的高速度。它將系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間分成了許多時(shí)間片，將各個(gè)時(shí)間片分給不同的線程，如此一來(lái)在一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)各個(gè)線程全都向前行進(jìn)了一步，然后運(yùn)行下一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，周而復(fù)始。這樣在用戶層的角度看來(lái)，各個(gè)線程是同步進(jìn)行的。只要速度夠塊，時(shí)間片的劃分不會(huì)影響用戶層面上的應(yīng)用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多線程的操作。近年來(lái)單片機(jī)速度的大幅度提升，這就使多線程思想向單片機(jī)控制系統(tǒng)的移植成為可能。

在整個(gè)項(xiàng)目中全部的輸入信號(hào)共39個(gè)；同時(shí)并行查詢(xún)的對(duì)象最多時(shí)有61個(gè)系統(tǒng)要求以步進(jìn)電機(jī)最快的速度打拍。時(shí)間約40us---60us，為了保證步進(jìn)電機(jī)打拍的穩(wěn)定性和靈活性。我選用了DSP內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為打拍時(shí)間的1/3—1/5。設(shè)定為10us中斷。這個(gè)時(shí)間為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)要查詢(xún)一遍所有對(duì)象并向相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)打拍。在一些線程中還需要采樣多次。換句話說(shuō)，在這個(gè)系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)。所有線程都要向前行進(jìn)一步。

就像計(jì)算機(jī)一樣，將這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片。將各個(gè)時(shí)間片分給不同的線程，在這種情況下，各個(gè)線程的執(zhí)行是間斷的。這與用硬件模擬多線程有本質(zhì)的不同。像這樣既要應(yīng)用各線程執(zhí)行的間斷性，又要保證各線程運(yùn)行的連續(xù)性。這對(duì)軟件的設(shè)計(jì)有了很高的要求，這同時(shí)也是單片機(jī)控制系統(tǒng)用軟件模擬多線程方法中的難點(diǎn)之一,為了解決這個(gè)問(wèn)題，可在個(gè)線程自帶線程進(jìn)度指示器用來(lái)標(biāo)志線程的運(yùn)行進(jìn)度，即用一個(gè)變量記載線程的每一步；如圖2

圖2

系統(tǒng)設(shè)定線程進(jìn)度指示器用來(lái)指引線程的連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)在一個(gè)中斷中輪詢(xún)所有對(duì)象。其編程結(jié)構(gòu)大致如下：

時(shí)鐘中斷：
    線程1:
         線程進(jìn)度標(biāo)志：
           1：    ；
           2：    ；
           3 ；
       
        線程2：
   線程進(jìn)度標(biāo)志：
         1：    ；
         2：    ；
        。。。。。。。。

用軟件模擬多線程還有很多要注意的地方。

如果選用20兆的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，步進(jìn)電機(jī)最快的打拍速度為40us---60us，則有下面的計(jì)算結(jié)果，，取1/4，即10us產(chǎn)生一中斷，在中斷里查詢(xún)61個(gè)對(duì)象。20兆DSP單條指令的執(zhí)行時(shí)間大約為50ns在一次中斷內(nèi)可執(zhí)行的語(yǔ)句數(shù)=10us/50ns=200條，如果在分給61個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象所分得的指令數(shù)僅為3條，已經(jīng)不夠用了，即使選擇60兆的DSP，說(shuō)分指令也只是9條，若以犧牲打拍的靈活性為代價(jià),以60us為已中斷。則每個(gè)對(duì)象所分得的指令數(shù)僅為36條勉強(qiáng)夠用，如果所控制的對(duì)象再多的話，軟件編程的靈活性將進(jìn)一步被壓縮，

下面提出了一種擴(kuò)展的多線程模擬方法，如圖3

圖3   

s1,s2為系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間，M1.1 為第一對(duì)象組中第一對(duì)象。M1.2 為第一對(duì)象組中第二對(duì)象。

這種擴(kuò)展的多線程模擬方法仍將系統(tǒng)時(shí)間化成多個(gè)時(shí)間片，與上面不同的是有幾個(gè)線程(對(duì)象)組成一個(gè)線程組，共享同一個(gè)時(shí)間片，例如：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第一次基準(zhǔn)時(shí)間的第一個(gè)時(shí)間片時(shí)，由共享時(shí)間片的第一個(gè)線程占用，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第2次基準(zhǔn)時(shí)間的第1個(gè)時(shí)間片時(shí)，由共享時(shí)間片的第2個(gè)線程占用，如此類(lèi)推，這種擴(kuò)展模式可以靈活的掌控線程與所用時(shí)間的比例，但是這是以犧牲運(yùn)行時(shí)間為代價(jià)的。

結(jié)論：本文對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的編程思想作出了擴(kuò)展，將本屬于計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程思想的多線程編程移植到單片機(jī)控制系統(tǒng)中。這種方法使單片機(jī)控制系統(tǒng)可工作于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度要求很高的系統(tǒng)中，并且對(duì)其他的高級(jí)語(yǔ)言編程思想，如對(duì)事件句柄的處理等向單片機(jī)控制系統(tǒng)移植起了示范作用。

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