摘要：從進(jìn)程和線程調(diào)度的角度出發(fā)，介紹了一種規(guī)范化的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，提出了“前向分支”的設(shè)計(jì)原則，給出了完整的系統(tǒng)模型。

    關(guān)鍵詞：線程拆分 前向分支 實(shí)時多任務(wù) 單片機(jī)

在機(jī)電產(chǎn)品研制開發(fā)中，經(jīng)常要涉及到基于嵌入式系統(tǒng)或基于單片機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。實(shí)時多任務(wù)是這類系統(tǒng)最基于的要求之一。在實(shí)踐中通常采用以下兩種解決方案：一是在商業(yè)化時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)；二是用戶自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。前者設(shè)計(jì)工作量小，設(shè)計(jì)周期短，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量也容易得到保證。但由于商業(yè)實(shí)時操作系統(tǒng)往往較多地考慮通用性，缺乏靈活性，對于一些特定的應(yīng)用場合，其性能往往不能令人滿意。同時，這種方案還存在著成本高，依賴于特定硬件等缺點(diǎn)。第二種方案可以從系統(tǒng)的實(shí)際要求和硬件的實(shí)際情況出發(fā)靈活地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，易于滿足一些特定場合的性能要求，成本也較低。但是，由于缺乏系統(tǒng)化、規(guī)范化的設(shè)計(jì)方法，缺少高層次抽象工具，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量不容易得到保證，你嚴(yán)重地依賴于程序員的水平和經(jīng)驗(yàn)。

本文針對上述第三種方案的高限，從進(jìn)程和線程調(diào)度的角度出發(fā)，介紹了一種系統(tǒng)化、規(guī)范化和易于工程化實(shí)施的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，提出了“前向分支”的設(shè)計(jì)原則，并給出了完整的系統(tǒng)模型。

1 進(jìn)程的劃分

對復(fù)雜的系統(tǒng)需求進(jìn)行模塊化和層次化的劃分是軟件設(shè)計(jì)的基本方法。在實(shí)踐中復(fù)雜的系統(tǒng)需求通常被劃分為一些功能相對獨(dú)立的任務(wù)模塊，每個任務(wù)模塊被視作一個進(jìn)程（process）。系統(tǒng)中如有多個進(jìn)程并發(fā)（concurrent）運(yùn)行，該系統(tǒng)就是一個多任務(wù)的系統(tǒng)。在圖1所示的例子中，n個任務(wù)模塊構(gòu)成了宏觀上并發(fā)運(yùn)行的一組進(jìn)程（即Proc_1～Proc-n）。Proc_5和Proc_9是兩個具有代表性的進(jìn)程結(jié)構(gòu)。Proc_5是斷續(xù)進(jìn)行的進(jìn)程，表示了某一順序邏輯控制的流程。Proc_9是LCD漢字顯示程序，其結(jié)構(gòu)是典型的多重循環(huán)。其功能是將數(shù)組aDisplay中所描述的24×24點(diǎn)陣中文字符串送至LCD顯示屏。ADisplay的結(jié)構(gòu)參幾圖3（e）。Proc_9的基本工作原理如下：當(dāng)cDispiay不為0時，依次從aDlsplay中取出每個待顯示漢字的點(diǎn)陣位置及其在LCD內(nèi)部顯存中的地址，根據(jù)這兩個參數(shù)將一個漢字的點(diǎn)陣順序發(fā)送到LCD內(nèi)部顯存中。直至全部漢字顯示完，cDisplay減為0，Proc_9轉(zhuǎn)入空檔狀態(tài)，等待新的顯示請求。

系統(tǒng)程序的主要任務(wù)之一就是對進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，包括啟動和終止進(jìn)程、管理進(jìn)程之間的通訊、處理進(jìn)程之間的優(yōu)先級等。但是如果按圖1的結(jié)構(gòu)順序調(diào)度進(jìn)程、以進(jìn)程為基本單位分配CPU時間的話，顯然存在嚴(yán)重的問題。例如在Proc_5中，當(dāng)程序處于等待K1閉合的狀態(tài)時，其它任何進(jìn)程都無法得到服務(wù)，尤其當(dāng)K1出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將處于“掛起”狀態(tài)。如果一個進(jìn)程過多地占據(jù)了CPU時間，其他進(jìn)程將不能得到公平、均勻的服務(wù)，響應(yīng)時間無法得到保證，系統(tǒng)效率會降低�？傊�，只有將CPU時間的分配單位減小，才能解決上述問題。

2 線程的拆分

線程（Thread）是CPU的基本執(zhí)行單位。一個進(jìn)程可以由一個或多個線程構(gòu)成。如前所述，單一線程的進(jìn)程可能會存在諸多問題，而將一進(jìn)程拆分為多個線程是解決上述問題的有效手段。由圖1的Proc_5和Proc_9可以看出，一個進(jìn)程過多地占據(jù)CPU時間，是因?yàn)槠渲泻写螖?shù)不確定的等待循環(huán)、純延時和較為耗時的多重循環(huán)。其中，純延時可以用軟件延和中斷定時兩種方法實(shí)現(xiàn)，這兩種方法在進(jìn)程中又都可以歸結(jié)為循環(huán)。因此，在拆分線程時應(yīng)盡量遵循“前向分支”原則，使線程中不含有或少含有循環(huán)。

循環(huán)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是由一個分支判斷和一個“反向