摘要 在許多系統(tǒng)資源非常緊張的單片機(jī)應(yīng)用中，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)時(shí)，由操作系統(tǒng)帶來(lái)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)往往是不可接受的。通過(guò)升級(jí)硬件來(lái)改善系統(tǒng)資源緊張，意味著成本的增加，降低產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本文介紹采用Protothread在非常小的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的方法。
　　關(guān)鍵詞 Protothread 實(shí)時(shí) 多任務(wù) 線程模型
　　嵌入式程序框架一般類(lèi)似于程序1所示結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有3個(gè)任務(wù)——TaskA、TaskB、TaskC，均放置于主循環(huán)內(nèi)，在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)都被執(zhí)行一次。在這種結(jié)構(gòu)中，能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的條件是： （當(dāng)且僅當(dāng)）TaskA 、TaskB、TaskC三個(gè)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間之和要小于系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的時(shí)間要求。在系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單、任務(wù)運(yùn)行時(shí)間能滿足實(shí)時(shí)要求的情況下，可以采用這種最簡(jiǎn)單、最直接的順序執(zhí)行方式。但是更多的情形是，系統(tǒng)不僅要對(duì)一些事件做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并且還要承擔(dān)很多其他的非實(shí)時(shí)任務(wù)，并且這些非實(shí)時(shí)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間的要求。傳統(tǒng)的這種程序結(jié)構(gòu)顯然不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。通常的解決方案是，引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，優(yōu)先執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，達(dá)到滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。
　　程序1嵌入式程序框架
　　void main（void） {
　　Init（）;
　　while（1） {
　　TaskA（）;
　　TaskB（）;
　　TaskC（）;
　　}
　　}
　　void Interrupt_1（void） interrupt 1 {
　　…
　　}
　　void Interrupt_2（void） interrupt 2 {
　　…
　　}
　　一般來(lái)說(shuō)，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)：
　　◆ 更好地支持多任務(wù)，實(shí)時(shí)性要求能夠得以保障；
　　◆ 程序開(kāi)發(fā)更加容易，也更便于維護(hù)；
　　◆ 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是，操作系統(tǒng)的引入也將帶來(lái)較多的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)：
　　◆ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)往往使用定時(shí)器中斷來(lái)切換任務(wù)，需要消耗不少的CPU處理時(shí)間；
　　◆ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在切換任務(wù)時(shí)需要保護(hù)當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，這就需要為每個(gè)任務(wù)準(zhǔn)備足夠多的RAM空間來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換；
　　◆ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的本身也需要占用相當(dāng)數(shù)量的Flash空間和RAM空間。
　　如果這些系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)都在可承受的范圍內(nèi)，那么采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將是最佳的選擇。但是在很多應(yīng)用的場(chǎng)合，特別是系統(tǒng)的資源非常緊張的單片機(jī)應(yīng)用，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)帶來(lái)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)往往是不可接受的。而更換速度更快、RAM更大、Flash更多的CPU意味著成本的增加，且會(huì)降低產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)系統(tǒng)中的任務(wù)不須進(jìn)行非常復(fù)雜的優(yōu)先級(jí)調(diào)度，而且其任務(wù)也相對(duì)簡(jiǎn)單時(shí)，引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)似有殺雞用牛刀之嫌。
　　1 Protothread的特點(diǎn)
　　Protothread是專(zhuān)為資源有限的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種耗費(fèi)資源特別少并且不使用堆棧的線程模型，其特點(diǎn)是：
　　◆ 以純C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，無(wú)硬件依賴性；
　　◆ 極少的資源需求，每個(gè)Protothread僅需要2個(gè)額外的字節(jié)；
　　◆ 可以用于有操作系統(tǒng)或無(wú)操作系統(tǒng)的場(chǎng)合；
　　◆ 支持阻塞操作且沒(méi)有棧的切換。
　　使用Protothread實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的最主要的好處在于它的輕量級(jí)。每個(gè)Protothread不需要擁有自已的堆棧，所有的Protothread共享同一個(gè)堆棧空間，這一點(diǎn)對(duì)于RAM資源有限的系統(tǒng)尤為有利。相對(duì)于操作系統(tǒng)下的多任務(wù)而言，每個(gè)任務(wù)都有自已的堆棧空間，這將消耗大量的RAM資源，而每個(gè)Protothread僅使用一個(gè)整型值保存當(dāng)前狀態(tài)。
　　2 Protothread的阻塞運(yùn)行機(jī)制
　　以下是一個(gè)典型的Protothread程序示例：
　　程序2Protothread程序示例
　　PT_THREAD（radio_wake_thread（struct pt *pt）） {
　　PT_BEGIN（pt）;
　　while（1） {
　　radio_on（）;
　　timer_set（&timer， T_AWAKE）;
　　PT_WAIT_UNTIL（pt， timer_expired（&timer））;
　　timer_set（&timer， T_SLEEP）;
　　if（！communication_complete（）） {
　　PT_WAIT_UNTIL（pt， communication_complete（）‖timer_expired（&timer））;
　　}
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　radio_off（）;
　　PT_WAIT_UNTIL（pt， timer_expired（&timer））;
　　}
　　}
　　PT_END（pt）;
　　}
　　這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的無(wú)線通信的狀態(tài)切換程序①，展開(kāi)Protothread的宏定義，便可以得到程序3所示的展開(kāi)代碼：
　　程序3Protothread宏展開(kāi)代碼
　　void radio_wake_thread（struct pt *pt） {
　　switch（pt﹥lc） {
　　case 0：
　　while（1） {
　　radio_on（）;
　　timer_set（&timer， T_AWAKE）;
　　pt﹥lc = 8;
　　case 8：
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　return;
　　}
　　timer_set（&timer， T_SLEEP）;
　　if（！communication_complete（）） {
　　pt﹥lc = 13;
　　case 13：
　　if（！（communication_complete（） ||timer_expired（&timer））） {
　　return;
　　}
　　}
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　radio_off（）;
　　pt﹥lc = 18;
　　case 18：
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　return;
　　}
　　}
　　}
　　}
　　}
　　當(dāng)Protothread程序運(yùn)行到PT_WAIT_UNTIL時(shí)，判斷其運(yùn)行條件是否滿足，若不滿足，則阻塞。通過(guò)比對(duì)程序2和程序3的程序代碼可以得知，Protothread的阻塞其實(shí)質(zhì)就是函數(shù)返回，只不過(guò)在返回前保存了當(dāng)前的阻塞位置，待下一次Protothread被調(diào)用時(shí)，直接跳到阻塞位置執(zhí)行，再次判斷運(yùn)行條件是否滿足，并執(zhí)行后續(xù)程序或繼續(xù)阻塞。
　　3 利用Protothread構(gòu)造實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)
　　與操作系統(tǒng)下的多任務(wù)不同，操作系統(tǒng)下的每個(gè)任務(wù)可在任意時(shí)刻被打斷并阻塞，Protothread僅能在程序員指定位置阻塞。用Protothread實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)，正是利用了Protothread在指定位置阻塞的特點(diǎn)，讓出執(zhí)行權(quán)限給更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先運(yùn)行