單片機(jī)系統(tǒng)的C語言程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2002年初，筆者著手寫一個IC卡預(yù)付費電表的工作程序，該電表使用Philips公司的8位51擴(kuò)展型單片機(jī)87LPC764，要求實現(xiàn)很多功能，包括熄顯示、負(fù)荷計算與控制、指示閃爍以及電表各種參數(shù)的查詢等，總之，要使用時間的單元很多。筆者當(dāng)時使用ASM51完成了這個程序的編寫，完成后的程序量是2KB多一點。后來，由于種種原因，這個程序并沒有真正使用，只是作了一些改動之后用在一個老化設(shè)備上進(jìn)行計時與負(fù)荷計算。約一年后，筆者又重新改寫了這些代碼。

1  系統(tǒng)的改進(jìn)

　　可以說，這個用ASM51實現(xiàn)的代碼是沒有什么組織性可言的，要什么功能就加入什么功能，弄得程序的結(jié)構(gòu)非常松散，其實這也是導(dǎo)致筆者最終決定重新改寫這些代碼的原因。

　　大家知道，87LPC764有4KB的Flash ROM，而筆者的程序量只有2KB多點，因而第一個想法是改用C語言作為主要的開發(fā)語言，應(yīng)該不至于導(dǎo)致代碼空間不夠用。其次，考慮到需要定時功能的模塊(或稱任務(wù)，以下統(tǒng)稱任務(wù))較多，有必要對這些任務(wù)進(jìn)行有序的管理。筆者考慮使用時間片輪詢方式，即給每個要求時間管理的任務(wù)以一個時間間隔，時間間隔一到，即運行其代碼，達(dá)到合理使用系統(tǒng)定時器資源的目的。就51系統(tǒng)而言，一般至少一個定時器可用來進(jìn)行時間片的輪詢。基于以上的想法，構(gòu)造了下述數(shù)據(jù)類型。

　　typedef unsigned char uInt8
　　typedef struct {
　　void (*proc)(void); //處理程序
　　uInt8 ms_count; //時間片大小
　　} _op_;

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義好之后，接著就是實現(xiàn)代碼，包括三部分，即初始化數(shù)據(jù)、時間片的刷新與時間到執(zhí)行。

　　初始化數(shù)據(jù)。

　　#define proc_cnt 0x08 //定義過程或任務(wù)數(shù)量
　　//任務(wù)棧初始化
　　code _op_ Op[proc_cnt]={{ic_check，10}，{disp_loop，100}，{calc_power，150}，{set_led，2}，…};
　　//設(shè)置時間片初始值
　　data uInt8 time_val[proc_cnt]={10，100，150，2，…};時間片刷新。
　　void time_int1(void) interrupt 3
　　{   uInt8 cnt;
　　　　Time_Counter:=Time_Unit;
　　　　for(cnt=0;cnt<proc_cnt;cnt++)
　　　　{ time_val[cnt]--;
　　　　}
　　}

　　任務(wù)的執(zhí)行。

　　void main(void){
　　　　uInt8 cnt;
　　　　init(); //程序初始化
　　　　interrupt_on(); //打開中斷
　　　　do{
　　　　　　for(cnt=0;cnt<proc_cnt;cnt++)
　　　　　　　　{ if(!time_val[cnt])
　　　　　　　　　　{ time_val[cnt]=Op[cnt].ms_count;
　　　　　　　　　　　　Op[cnt].proc();
　　　　　　　　}
　　　　　　}
　　　　}while(1);
　　}

　　在上面的結(jié)構(gòu)定義中，proc是不能帶參數(shù)的，各任務(wù)之間的通信可以定義一個參數(shù)內(nèi)存塊，通過一種機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，如定義一個全局變量。對于小容量單片機(jī)系統(tǒng)而言，需要這樣做的任務(wù)并不多，總?cè)蝿?wù)量也不會太多，因而這種協(xié)調(diào)并不太難處理。

　　也許大家都有這樣的認(rèn)識，即一個實時系統(tǒng)中，差不多所有的具體任務(wù)都是有時間屬性的，即使是不需要定時的過程或任務(wù)，也不見得要時時進(jìn)行查詢與刷新。如IC卡介質(zhì)檢測，保證每秒一次就足夠了。因而，這些任務(wù)也可以列入到這個結(jié)構(gòu)中來。

　　在以上的程序代碼中，考慮到單片機(jī)系統(tǒng)的RAM限制，不能像一些實時OS那樣將任務(wù)棧建立在RAM中。筆者將任務(wù)棧建立在代碼空間，因而不能在程序運行時動態(tài)地加入任務(wù)，因此要求在程序編譯時，任務(wù)棧已經(jīng)確定。同時，定義一組計數(shù)值旗標(biāo)time_val，記錄程序運行時的時間量，并在一個定時器中斷中對其進(jìn)行刷新。改變時間片刷新中斷過程語句Time_Counter:=Time_Unit;中的Time_Unit，可以改變系統(tǒng)時間片的刷新粒度，一般這個值由系統(tǒng)的最小時間度量值確定。

　　同時，由任務(wù)的執(zhí)行流程可知，此種系統(tǒng)構(gòu)造并沒有改變其前/后臺系統(tǒng)的性質(zhì)，只是對后臺邏輯操作序列進(jìn)行了有效管理。同時，如果將任務(wù)執(zhí)行流程進(jìn)行一些更改，并保證時間片小的任務(wù)前置，如下述程序。

　　do{
　　　　for(cnt=0;cnt<proc_cnt;cnt++){
　　　　　　if(!time_val[cnt]){
　　　　　　　　time_val[cnt]=Op[cnt].ms_count;
　　　　　　　　Op[cnt].proc();
　　　　　　　　break; //執(zhí)行完成后，重新進(jìn)行優(yōu)先調(diào)度
　　　　　　}
　　　　}
　　}while(1);

　　則系統(tǒng)變?yōu)橐粋€以執(zhí)行頻率為優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。當(dāng)然，設(shè)置此種方式得非常小心，并要注意時間片的分配，如果時間片過小，則可能導(dǎo)致執(zhí)行頻率較低的任務(wù)難以被執(zhí)行；而如果存在兩個同樣的時間片，則更加危險，可能導(dǎo)致第二個具有相同時間片的任務(wù)不被執(zhí)行，因而，時間片的分配要合理，并保證其唯一性。

2  性能分析與任務(wù)拆分

　　以上兩種任務(wù)管理方式，前一種按任務(wù)棧的順序與時間片的大小依次進(jìn)行調(diào)度，暫且稱其為流水作業(yè)調(diào)度；而后一種，且稱其為頻率優(yōu)先調(diào)度。兩種方式各有優(yōu)缺點。流水作業(yè)調(diào)度的各任務(wù)具有等同優(yōu)先級，時間片一到即會被按序調(diào)用，時間片大小的次序與唯一性不作要求；缺點是可能導(dǎo)致時間片小的，即要求執(zhí)行得較快的任務(wù)等待過長的時間。頻率優(yōu)先調(diào)度的各任務(wù)按其時間片的大小，即執(zhí)行頻率劃分優(yōu)先級，時間片小的任務(wù)，其執(zhí)行頻率高，總是具有較高的優(yōu)先權(quán)，但時間片的分配得協(xié)調(diào)，否則可能會導(dǎo)致執(zhí)行頻率低的任務(wù)長時間等待。
　要特別注意的是，兩種方式都有可能導(dǎo)致一些任務(wù)長時間等待，時間片所設(shè)定的時間也因此不能作為精確時間的依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)的要求或需要，甚至要在任務(wù)執(zhí)行過程中進(jìn)行某些保護(hù)工作，如中斷屏蔽等，因而在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時要注意。如果一個任務(wù)較繁瑣或可能要等待很長時間，則應(yīng)當(dāng)考慮任務(wù)的拆分，把一個較大的任務(wù)細(xì)化為較小的任務(wù)，把一個費時長的任務(wù)劃分為多個費時小的任務(wù)，協(xié)同完成其功能。如在等待時間長的情況下，可附加一個定時任務(wù)，定時任務(wù)到則發(fā)送一個消息旗標(biāo)，主過程沒有檢測到消息旗標(biāo)就馬上返回，否則繼續(xù)執(zhí)行。下面是示例代碼，假定該任務(wù)將等待很長時間，現(xiàn)將其拆分為兩個任務(wù)proc1與proc2協(xié)同完成原來的工作，proc1每100個時間單位執(zhí)行一次，而proc2每200個時間單位執(zhí)行一次。

　　//定義兩個任務(wù)，并將其加入到任務(wù)棧中。
　　code _op_ Op[proc_cnt]={…，{proc1，100}，{proc2，200}};
　　data int time1_Seg; //定義一個全局旗標(biāo)
　　//任務(wù)實現(xiàn)
　　void proc1(void){
　　　　if (time1_Seg)
　　　　　　exit;
　　　　else
　　　　　　time1_Seg=const_Time1; //如果時間到了，則恢復(fù)初值并
　　　　　　　　　　　　　　 　　　//接著執(zhí)行下列代碼。
　　　　…　　　　　　　　　　　　 //任務(wù)實際執(zhí)行代碼
　　}

　　void proc2(void){
　　　　if(time1_Seg)
　　　　time1_Seg--;
　　}

　　由上例可以看出，任務(wù)拆分后，幾乎不占過多的CPU時間，使得任務(wù)的等待時間大減，讓CPU有足夠的時間進(jìn)行任務(wù)管理與調(diào)度。同時也讓程序的結(jié)構(gòu)性與可讀性大為加強(qiáng)。

結(jié)語

　　基于上述思路與結(jié)構(gòu)對IC卡電表工作程序進(jìn)行全部改寫后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能得到了很大改善。全部編寫完成后，程序代碼量約為3KB多一點，可見此種結(jié)構(gòu)的程序構(gòu)造并不會造成很大的系統(tǒng)開銷(大部分開銷是由于使用C的結(jié)果)，卻使開發(fā)得到了簡化。這只要將系統(tǒng)細(xì)分為一系列任務(wù)，然后加入到任務(wù)棧進(jìn)行編譯即可，很適合小容量單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，而筆者也在多個系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了此種結(jié)構(gòu)。