時間觸發(fā)模式下的ProtothreadS設計應用
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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)應用最為常見的8位微控制器為例，其ROM和RAM的容量都在不斷擴大，甚至一些高端的8位處理器可以使用簡單的操作系統(tǒng)(OS)來進行開發(fā)。同時，32位處理器的廣泛普及也使得其價格逐漸逼近8位處理器。所以對很多應用來說，開發(fā)的簡化和迅速成為最主要的目標。尤其是當使用一款新的處理器或者硬件電路時，快速的搭建其開發(fā)的框架變得尤其重要。在嵌入式系統(tǒng)中，通常會采用兩種不同的任務管理和調度方式：事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式以事件的發(fā)生為核心，往往會采用多級中斷的方法來實現(xiàn)，其發(fā)生的時間具有隨機性。所以事件觸發(fā)方式具有較好的實時性，但是這樣也意味著該系統(tǒng)具有較高的復雜度。而且，事件觸發(fā)方式的開銷往往是很大的。Alexander Metzner的研究指出：一個包含27個任務、采用RM(Rate Mono―tonic)調度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18％。
而時間觸發(fā)方式開發(fā)的系統(tǒng)，保證了在同一時刻只處理一個事件，雖然犧牲了并發(fā)處理的實時性，但是保證了系統(tǒng)的可靠性，并且使得程序員能很好地預測程序的流程。Kopetz就指出：使用基于時間觸發(fā)的合作式調度器會使得系統(tǒng)有非常好的可預測性。在本項目中，嵌入式系統(tǒng)的功能主要集中在控制一些具有一定時隙間隔的外圍設備上面。鍵盤的掃描、顯示的刷新、數(shù)據(jù)緩沖的存儲等都是需要定期完成的任務，而這些任務的實時要求也并不高，所以選用時間觸發(fā)方式的合作式調度器成為系統(tǒng)設計的首選。
Protothrcads利用隱式的return提供了阻塞的功能，經過Protothrcads封裝的任務，其程序的邏輯更加接近處理事件的上層邏輯，大大簡化了編程。而且使用簡單的宏就可以實現(xiàn)Protothrcads，其開銷也是很小的。本文就對使用Protothrcads應用于時間觸發(fā)模式的合作式調度器做一些討論。
2 Protothreads簡介
Protothrcads是由瑞典計算機科學研究所的科學家Adam Dunkels所創(chuàng)的一種新的線程編程方法。按AdamDunkels所說，Protothreads是專為資源緊張的系統(tǒng)設計的一種耗費資源少，且不使用堆棧的線程模型，它可以不使用復雜的狀態(tài)機機制來實現(xiàn)順序流的控制。Proto―thrcads也可以用于操作系統(tǒng)當中。
簡單地說，Protothrcads借鑒了用c語言實現(xiàn)協(xié)同(co―routine)的原理，它應用switch―case語句的直接跳轉功能，實現(xiàn)了有條件阻塞(conditional block)，最終實現(xiàn)了虛擬的并行處理功能(concurrent)。實際上，Protothrcads并不是真正的線程，在多任務的切換中并不會真正涉及上下文的切換，其線程的調度也僅僅是依靠隱式的return，進而退出函數(shù)體來完成的。但是Protothreads的優(yōu)點卻是實實在在的。首先它不需要堆棧空間，而正如筆者用宏實現(xiàn)的那樣，Protothrcads也實現(xiàn)了很多只有線程編程方法才能實現(xiàn)的機制，比如阻塞。而用宏進行了封裝之后，使用者完全可以像使用線程一樣使用它們，而且其邏輯更加簡化，這大大增加了程序的清晰度，并降低了開發(fā)維護的難度。
在對實時性要求比較高或者說要求并行處理的場合，往往需要在任務A執(zhí)行到一定程度、等待事件C發(fā)生時，退出當前任務A并轉而執(zhí)行任務B；當事件C發(fā)生之后，系統(tǒng)繼續(xù)回到任務A，繼續(xù)方才的執(zhí)行。所以必須將任務A上次執(zhí)行到地方的環(huán)境存儲起來，以便重回任務A后可以接著打斷的地方繼續(xù)運行。線程的上下文切換可以達到這個目的，Simon Tatham用C語言實現(xiàn)的co―routine也可以。Protothreads正是借鑒了這一原理，如以下任務函數(shù)所示：
可以看出，在進行了宏擴展之后，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建了一個上層的邏輯體系。這正是Protothreads的核心所在。同時，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語句的合用(Protothreads的實現(xiàn)已經用了switch語句)；
③因為編譯器會將__LINE__解釋為當前所在的行號，所以不能將多個“返回”置于同一行。
3 調度器設計
時間觸發(fā)方式的嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)定時器產生的恒定間隔的中斷來觸發(fā)和管理任務的。系統(tǒng)依靠一個基準的時間中斷，以此中斷為任務處理的節(jié)奏和“節(jié)拍”，任務的調度發(fā)生在“節(jié)拍”規(guī)定的時刻。中斷服務子程序也同樣占用這個時間間隔，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一方面要使中斷服務子程序盡可能短，以節(jié)省任務的執(zhí)行時間；另一方面，執(zhí)行的任務也應該盡可能短，一些比較耗時的任務可以細分為若干個子任務加以調度。同時，這也要求調度器的設計盡可能簡單。本文的設計思想就是對于系統(tǒng)僅僅定義一個任務控制塊(TCB)隊列，每個任務對應于隊列中的一個節(jié)點，由中斷服務子程序更改TCB隊列中的記錄，調度函數(shù)根據(jù)此TCB來進行調度。可以略微修改Proto―threads中的結構體pt，以滿足作為TCB隊列節(jié)點的需要。當然，此結構也需要聲明為全局變量或者靜態(tài)變量。其數(shù)據(jù)結構如下所示：
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