1． 引言

隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，越來越多的，優(yōu)秀的編程思想被提出來，并付諸實(shí)踐。在某些方面已出現(xiàn)了根本性的變革。另一方面，單片機(jī)自從80年代誕生以來，便以飛快的速度發(fā)展起來，但由于其物理?xiàng)l件的限制，單片機(jī)控制系統(tǒng)的編程仍然局限于經(jīng)驗(yàn)的模式，很少應(yīng)用那些新提出的高級語言的編程思想。如果將不斷發(fā)展的編程思想與廣泛應(yīng)用的單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起來，一定會大大促進(jìn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。使其更廣泛的應(yīng)用于各個方面。

在下面這個具體項(xiàng)目中，實(shí)際情況對系統(tǒng)有一些比較苛刻的要求。按照一般的單線程的控制方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。具體情況如表1（表1所示為生化分析儀的設(shè)計(jì)中對單片機(jī)系統(tǒng)的要求的一部分）

表1

表1所示只占了整個系統(tǒng)要求的1/6。下面對表1中的幾項(xiàng)內(nèi)容加以說明。

對象M1開始動作17操作，即首先步進(jìn)電機(jī)M1（正向）轉(zhuǎn)動查找光電開關(guān)信號PS1；查到后執(zhí)行兩次‘過程1‘。過程1：向電機(jī)打出30拍。由表1可知該動作從C  段執(zhí)行到  K段停止；

對象M2即步進(jìn)電機(jī)M2等對象M1執(zhí)行完動作17后執(zhí)行動作23等。對象M3和對象M4 則在開始時(shí)同時(shí)啟動，分別執(zhí)行各自的動作。各個對象之間有的獨(dú)立，有的相互關(guān)聯(lián)。

整個項(xiàng)目需要控制16臺步進(jìn)電機(jī)，21個電磁閥，3個泵，1個直流電機(jī)，系統(tǒng)要求全部執(zhí)行時(shí)間為6秒鐘，系統(tǒng)要求步進(jìn)電機(jī)以其最快的速度 -----40us—60us打拍。如果以單線程的方式編程讓一臺電機(jī)轉(zhuǎn)到位之后，再轉(zhuǎn)其他電機(jī)。這樣16臺電機(jī)打一拍就需要640us---960us 已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)要求。這就需要使單片機(jī)并行控制多臺電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種以并行的方式驅(qū)動各個電機(jī)同時(shí)啟動可以在最短的時(shí)間將各個電機(jī)同時(shí)到位。在轉(zhuǎn)動電機(jī)的同時(shí)還需要檢測一些開關(guān)量已確定電機(jī)的位置。為了實(shí)現(xiàn)這個目的。下面提供第一種解決方案(此方案是常用的方案之一，但作者并不推薦這個方案。因?yàn)檫@個方案成本太高。)。

方案一：  硬件實(shí)現(xiàn)。

我們可以用多個CPU，將各個電機(jī)的控制分到不同的CPU中執(zhí)行，并可將不互相沖突的電機(jī)控制過程放到一個CPU中，其結(jié)構(gòu)如圖1

圖1多cpu實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)圖

如圖所示系統(tǒng)中設(shè)定一個主CPU，其功能為與計(jì)算機(jī)通訊，并將計(jì)算機(jī)下達(dá)的指令分發(fā)給相應(yīng)的從CPU，更主要的是主CPU將監(jiān)控整個并行控制的運(yùn)作。因?yàn)楦鱾€控制過程之間有的彼此關(guān)聯(lián)，所以主CPU不僅要控制各個線程的執(zhí)行，還要兼顧線程之間的通訊。以表1為例，具體作法如下：

1．開始后，主CPU發(fā)給從CPU1一個信號，從CPU啟動對象M1進(jìn)行動作17，并由從CPU向主CPU返回一個信號。主CPU收到信號后，置起標(biāo)志1。當(dāng)對象M1進(jìn)行完動作17后，從CPU向主CPU發(fā)出信號，CPU將標(biāo)志1清掉。

2．開始后，主CPU發(fā)給從M2一個信號，從CPU啟動對象M2。從CPU向主CPU不斷查詢標(biāo)志1。當(dāng)標(biāo)志1被清掉后，從//控制對象2執(zhí)行動作23。

3．開始后，主CPU發(fā)給從CPU一個信號，從CPU啟動對象M3和對象M4。執(zhí)行動作25，然后開電磁閥6，然后延時(shí)1秒，關(guān)電磁閥6，執(zhí)行動作24，然后執(zhí)行動作26，等////1的動作17完成后，啟動步進(jìn)電機(jī)20，執(zhí)行動作25，等等。

如上所說, 主CPU設(shè)置了多個標(biāo)志位用以跟蹤各個線程的運(yùn)行情況。并用這些標(biāo)志位承擔(dān)了各個相關(guān)線程之間的通訊。凡是線程運(yùn)行到與其他線程相關(guān)的地方都會在主CPU 內(nèi)設(shè)置一個標(biāo)志位以供其它相關(guān)線程查詢。而那些不相關(guān)的線程可以完全獨(dú)立運(yùn)行。相關(guān)線程除了需檢測標(biāo)志的部分，其他部分也可獨(dú)立運(yùn)行。

這種多CPU控制的作法實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的并行運(yùn)作方式。但多CPU的控制方案成本幾乎是成倍提高，而且在硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的多CPU之間的通訊花費(fèi)時(shí)間稍長。并且容易有干擾。

方案二(作者推薦): 另一種實(shí)現(xiàn)的方法是在軟件的層面上模擬多cpu的運(yùn)作。從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的偽并行處理.這種實(shí)現(xiàn)方法借鑒了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多線程的編程方法。

多線程編程編程思想,即：同時(shí)給CPU分配了幾個任務(wù)或線程。當(dāng)然計(jì)算機(jī) CPU實(shí)際上不可能同一時(shí)間做幾件事，而是把時(shí)間分到不同的線程，使每個線程都有點(diǎn)進(jìn)展。如果一個線程無法進(jìn)行，比如線程要求的鍵盤輸入尚未取得，則轉(zhuǎn)入另一個線程的工作。通常，CPU在線程間的切換非常迅速，使人們感覺好象所有的線程是同時(shí)進(jìn)行的。

多線程編程中有一個很重要的環(huán)節(jié)：各個線程之間的通訊與控制問題

在多線程編程中，每個線程都用編碼提供線程的行為，用數(shù)據(jù)供給編碼操作。多個線程同時(shí)處理同一編碼和數(shù)據(jù)，不同線程可能各有不同的編碼和數(shù)據(jù)。事實(shí)上，編碼和數(shù)據(jù)部分是相當(dāng)獨(dú)立的，需要時(shí)即可向線程提供。因此經(jīng)常是幾個線程使用同一段編碼和數(shù)據(jù)這就會出現(xiàn)下面的情況

當(dāng)一個線程在調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，另一個線程可能正在修改這些數(shù)據(jù)。則前一個線程所調(diào)用的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不確定性。這會影響整個運(yùn)行結(jié)果。為了避免這個問題，多線程編程中，各個線程之間通訊和控制尤為重要。在將多線程的思想向單片機(jī)控制系統(tǒng)移植時(shí)，這點(diǎn)要非常注意。因?yàn)橄到y(tǒng)多線程運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)從其最基本的層面看仍然是單線程的操作；他的實(shí)現(xiàn)歸根結(jié)底是利用了計(jì)算機(jī)的高速度。它將系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間分成了許多時(shí)間片，將各個時(shí)間片分給不同的線程，如此一來在一個基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)各個線程全都向前行進(jìn)了一步，然后運(yùn)行下一個基準(zhǔn)時(shí)間，周而復(fù)始。這樣在用戶層的角度看來，各個線程是同步進(jìn)行的。只要速度夠塊，時(shí)間片的劃分不會影響用戶層面上的應(yīng)用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多線程的操作。近年來單片機(jī)速度的大幅度提升，這就使多線程思想向單片機(jī)控制系統(tǒng)的移植成為可能。

在整個項(xiàng)目中全部的輸入信號共39個；同時(shí)并行查詢的對象最多時(shí)有61個系統(tǒng)要求以步進(jìn)電機(jī)最快的速度打拍。時(shí)間約40us---60us，為了保證步進(jìn)電機(jī)打拍的穩(wěn)定性和靈活性。我選用了DSP內(nèi)部的一個定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為打拍時(shí)間的1/3—1/5。設(shè)定為10us中斷。這個時(shí)間為整個系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)要查詢一遍所有對象并向相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)打拍。在一些線程中還需要采樣多次。換句話說，在這個系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)。所有線程都要向前行進(jìn)一步。

就像計(jì)算機(jī)一樣，將這個基準(zhǔn)時(shí)間分為多個時(shí)間片。將各個時(shí)間片分給不同的線程，在這種情況下，各個線程的執(zhí)行是間斷的。這與用硬件模擬多線程有本質(zhì)的不同。像這樣既要應(yīng)用各線程執(zhí)行的間斷性，又要保證各線程運(yùn)行的連續(xù)性。這對軟件的設(shè)計(jì)有了很高的要求，這同時(shí)也是單片機(jī)控制系統(tǒng)用軟件模擬多線程方法中的難點(diǎn)之一,為了解決這個問題，可在個線程自帶線程進(jìn)度指示器用來標(biāo)志線程的運(yùn)行進(jìn)度，即用一個變量記載線程的每一步；如圖2

圖2

系統(tǒng)設(shè)定線程進(jìn)度指示器用來指引線程的連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)在一個中斷中輪詢所有對象。其編程結(jié)構(gòu)大致如下：

時(shí)鐘中斷：
    線程1:
         線程進(jìn)度標(biāo)志：
           1：    ；
           2：    ；
           3 ；
       
        線程2：
   線程進(jìn)度標(biāo)志：
         1：    ；
         2：    ；
        。。。。。。。。

用軟件模擬多線程還有很多要注意的地方。

如果選用20兆的DSP來實(shí)現(xiàn)控制功能，步進(jìn)電機(jī)最快的打拍速度為40us---60us，則有下面的計(jì)算結(jié)果，，取1/4，即10us產(chǎn)生一中斷，在中斷里查詢61個對象。20兆DSP單條指令的執(zhí)行時(shí)間大約為50ns在一次中斷內(nèi)可執(zhí)行的語句數(shù)=10us/50ns=200條，如果在分給61個對象，每個對象所分得的指令數(shù)僅為3條，已經(jīng)不夠用了，即使選擇60兆的DSP，說分指令也只是9條，若以犧牲打拍的靈活性為代價(jià),以60us為已中斷。則每個對象所分得的指令數(shù)僅為36條勉強(qiáng)夠用，如果所控制的對象再多的話，軟件編程的靈活性將進(jìn)一步被壓縮，

下面提出了一種擴(kuò)展的多線程模擬方法，如圖3

圖3   

s1,s2為系統(tǒng)運(yùn)行的基準(zhǔn)時(shí)間，M1.1 為第一對象組中第一對象。M1.2 為第一對象組中第二對象。

這種擴(kuò)展的多線程模擬方法仍將系統(tǒng)時(shí)間化成多個時(shí)間片，與上面不同的是有幾個線程(對象)組成一個線程組，共享同一個時(shí)間片，例如：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第一次基準(zhǔn)時(shí)間的第一個時(shí)間片時(shí)，由共享時(shí)間片的第一個線程占用，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第2次基準(zhǔn)時(shí)間的第1個時(shí)間片時(shí)，由共享時(shí)間片的第2個線程占用，如此類推，這種擴(kuò)展模式可以靈活的掌控線程與所用時(shí)間的比例，但是這是以犧牲運(yùn)行時(shí)間為代價(jià)的。

結(jié)論：本文對單片機(jī)控制系統(tǒng)的編程思想作出了擴(kuò)展，將本屬于計(jì)算機(jī)高級語言編程思想的多線程編程移植到單片機(jī)控制系統(tǒng)中。這種方法使單片機(jī)控制系統(tǒng)可工作于對系統(tǒng)運(yùn)行速度要求很高的系統(tǒng)中，并且對其他的高級語言編程思想，如對事件句柄的處理等向單片機(jī)控制系統(tǒng)移植起了示范作用。

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