關(guān)鍵詞 805l 重入堆棧 多任務(wù)模型 實(shí)時(shí) 頁(yè)變量
隨著8051微控制器性能的不斷提高，使用多任務(wù)操作系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行資源管理已成為當(dāng)代開(kāi)發(fā)的需要。由于受靜態(tài)鏈接的限制，8051系統(tǒng)的多任務(wù)開(kāi)發(fā)需要處理代碼重入(reentrance)的問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)重入，通�？梢岳肒eil C51的關(guān)鍵字reentrant，將函數(shù)聲明為重人類(lèi)型。通過(guò)在重入堆棧分配局部變量，使函數(shù)具有可重入性；但該重入方案的實(shí)時(shí)性較差。
為提高多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文介紹一種新方案——基于頁(yè)的多任務(wù)模型。
1 重入函數(shù)的原理與不足
當(dāng)使用Kcil C51的關(guān)鍵字reentrant來(lái)指定函數(shù)屆性時(shí)，即得重入函數(shù)(reentrant function)。
1．1 重入函數(shù)的原理
重入函數(shù)的原理是Keil C編譯器建立一個(gè)軟件操作的重入堆棧。重入函數(shù)能自動(dòng)為不同的調(diào)用者在重入堆棧中分配獨(dú)立局部變量，使函數(shù)具備重入性。
變量分配過(guò)程如圖l所示，函數(shù)人口首先申請(qǐng)存儲(chǔ)空間。函數(shù)返回前，必須將所申請(qǐng)的存儲(chǔ)空間歸還。變量分配和回收的位置都是重入堆棧的棧頂。
1.2 重入函數(shù)的不足
重入堆棧的最大缺點(diǎn)為效率低，Keil C51用戶手冊(cè)中已有明確記載。
由圖l可作以下分析：首先，每次使用局部變量都需要計(jì)算變量地址，大大降低了變量存取速度，也消耗了處理器時(shí)間；其次，因?yàn)橹厝攵褩Ｊ羌冘浖䦟?shí)現(xiàn)的，因此反復(fù)進(jìn)行的堆棧操作使重入函數(shù)的實(shí)時(shí)性進(jìn)一步惡化。
2 基于頁(yè)的多任務(wù)模型原理與實(shí)現(xiàn)
2．1 原理
解決函數(shù)重入的關(guān)鍵在于局部變量的分配，可以從8051存儲(chǔ)器類(lèi)型的分析和選擇入手。
8051控制器能直接尋址的存儲(chǔ)器類(lèi)型很豐富。在這些類(lèi)型中，我們注意到了頁(yè)變量(pdata)及其與眾不同的特性。
(1)頁(yè)變量pdata
根據(jù)Intel公司的用戶手冊(cè)，805l的頁(yè)存儲(chǔ)器就是指單字節(jié)地址方式操作的外部存儲(chǔ)器。使用單字節(jié)地址方式時(shí)，允許使用P2對(duì)外部數(shù)據(jù)來(lái)分頁(yè)，該方式的操作指令為“MOVX@Ri”。指令中R0或R1提供頁(yè)內(nèi)地址(低8位地址)，P2寄存器隱藏地提供頁(yè)地址(高8位地址)。
單字節(jié)地址方式將8051的64 KB外部存儲(chǔ)器分成256個(gè)頁(yè)面，如圖2所示。其硬件特征如下：①系統(tǒng)的256個(gè)頁(yè)面的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)完全一致；②工作頁(yè)面可以被指定為這256頁(yè)中的任意一頁(yè)；③頁(yè)地址由P2隱式提供給地址總線，且頁(yè)地址可以由程序修改。
工具方面，Keil C51專用關(guān)鍵字pdata表示單字節(jié)方式尋址的外部數(shù)據(jù)類(lèi)型，pdata變量即頁(yè)變量。編譯后的頁(yè)變量具有以下特性：①頁(yè)變量操作嚴(yán)格對(duì)應(yīng)單字節(jié)地址方式；②頁(yè)變量全部轉(zhuǎn)換成了靜態(tài)頁(yè)內(nèi)地址。
(2)頁(yè)函數(shù)
根據(jù)頁(yè)變量性質(zhì)，只要函數(shù)的所有局部變量都被指定為頁(yè)變量類(lèi)型，那么，函數(shù)所生成的代碼就可以工作于系統(tǒng)任一頁(yè)面上。
當(dāng)操作系統(tǒng)為一個(gè)函數(shù)分配多個(gè)頁(yè)面時(shí)，該函數(shù)與每一個(gè)頁(yè)面上的局部變量均構(gòu)成一個(gè)進(jìn)程。
與重入函數(shù)不同，這類(lèi)函數(shù)本身不能自動(dòng)分配變量，因此沒(méi)有重入性。只有在操作系統(tǒng)的協(xié)助下，為其分配工作頁(yè)后，頁(yè)函數(shù)才是可重入的。頁(yè)函數(shù)中變量使用靜態(tài)地址，因此其存取速度得到大幅提升，改善了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
為區(qū)別Keil C51定義的重入函數(shù)(reentrant func-tion)，我們稱這種只使用頁(yè)變量的函數(shù)為“基于頁(yè)的重入函數(shù)(page-based reentrant function)”，簡(jiǎn)稱為“頁(yè)函數(shù)”。
2.2 實(shí)現(xiàn)
根據(jù)原理分析中的可行性，筆者設(shè)計(jì)了名為Celia的基于頁(yè)的占先式8051多任務(wù)調(diào)度內(nèi)核。沿用μC／OS-II的結(jié)構(gòu)框圖與處理流程，在TCB(Task Control Block，任務(wù)控制塊)中增加一個(gè)字節(jié)的頁(yè)面字段，并改寫(xiě)了部分程序。有μC／OS-II為參照，使該調(diào)度內(nèi)核的設(shè)計(jì)可以很快完成。經(jīng)過(guò)在以W78P438為核心的平臺(tái)上實(shí)測(cè)，該系統(tǒng)調(diào)度正常，程序運(yùn)行正確。這證明該重入方案可行。
3 基于頁(yè)的多任務(wù)模型性能分析
基于頁(yè)的多任務(wù)模型的程序結(jié)構(gòu)與μC／OS-II基本一致，其區(qū)別主要是頁(yè)函數(shù)與重入函數(shù)的區(qū)別，因此，這里主要分析頁(yè)變量存取與重入堆棧變量存取的性能對(duì)比。
3.1 優(yōu)點(diǎn)
(1)更高的變量存取帶寬
8051為8位總線接口，單字節(jié)存取是其基本操作。研究單字節(jié)變量的存取帶寬可以從根本上說(shuō)明頁(yè)變量的優(yōu)點(diǎn)。
805l系統(tǒng)操作外部存儲(chǔ)器使用的是MOVX指令。執(zhí)行該指令需要2個(gè)機(jī)器周期。在標(biāo)準(zhǔn)8051中，1個(gè)機(jī)器周期為12／fOSC，則總線帶寬如式(1)所示。其中fOSC為晶振頻率。
如圖l，重入函數(shù)操作單字節(jié)變量i=0xaa，共需要15個(gè)機(jī)器周期。其中僅計(jì)算變量地址就需要12個(gè)機(jī)器周期。因此，重入堆棧的實(shí)際存取帶寬如式(2)所示。
相對(duì)地，頁(yè)函數(shù)中變量地址是確定的。因?yàn)椴恍枰?jì)算地址的額外操作，其變量操作速度比重入堆棧有大幅提高。如圖3所示，頁(yè)函數(shù)中操作單字節(jié)變量只需要4個(gè)機(jī)器周期。頁(yè)變最的實(shí)際存取帶寬如式(3)：
