摘要 在許多系統(tǒng)資源非常緊張的單片機應(yīng)用中，使用實時操作系統(tǒng)進行任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)實時多任務(wù)系統(tǒng)時，由操作系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)開銷往往是不可接受的。通過升級硬件來改善系統(tǒng)資源緊張，意味著成本的增加，降低產(chǎn)品的競爭力。本文介紹采用Protothread在非常小的系統(tǒng)開銷下實現(xiàn)實時多任務(wù)系統(tǒng)的方法。
　　關(guān)鍵詞 Protothread 實時 多任務(wù) 線程模型
　　嵌入式程序框架一般類似于程序1所示結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有3個任務(wù)——TaskA、TaskB、TaskC，均放置于主循環(huán)內(nèi)，在每一個循環(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)實時性要求的條件是： （當(dāng)且僅當(dāng)）TaskA 、TaskB、TaskC三個任務(wù)的運行時間之和要小于系統(tǒng)實時響應(yīng)的時間要求。在系統(tǒng)較為簡單、任務(wù)運行時間能滿足實時要求的情況下，可以采用這種最簡單、最直接的順序執(zhí)行方式。但是更多的情形是，系統(tǒng)不僅要對一些事件做出實時響應(yīng)，并且還要承擔(dān)很多其他的非實時任務(wù)，并且這些非實時任務(wù)的運行時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實時響應(yīng)時間的要求。傳統(tǒng)的這種程序結(jié)構(gòu)顯然不能滿足系統(tǒng)的實時性要求。通常的解決方案是，引入實時操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)進行任務(wù)的調(diào)度，優(yōu)先執(zhí)行實時任務(wù)，達(dá)到滿足系統(tǒng)實時性的要求。
　　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 {
　　…
　　}
　　一般來說，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中引入實時操作系統(tǒng)有諸多優(yōu)點：
　　◆ 更好地支持多任務(wù)，實時性要求能夠得以保障；
　　◆ 程序開發(fā)更加容易，也更便于維護；
　　◆ 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是，操作系統(tǒng)的引入也將帶來較多的系統(tǒng)開銷：
　　◆ 實時操作系統(tǒng)往往使用定時器中斷來切換任務(wù)，需要消耗不少的CPU處理時間；
　　◆ 實時操作系統(tǒng)在切換任務(wù)時需要保護當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行現(xiàn)場，這就需要為每個任務(wù)準(zhǔn)備足夠多的RAM空間來實現(xiàn)任務(wù)切換；
　　◆ 實時操作系統(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)開銷都在可承受的范圍內(nèi)，那么采用實時操作系統(tǒng)將是最佳的選擇。但是在很多應(yīng)用的場合，特別是系統(tǒng)的資源非常緊張的單片機應(yīng)用，實時操作系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)開銷往往是不可接受的。而更換速度更快、RAM更大、Flash更多的CPU意味著成本的增加，且會降低產(chǎn)品的競爭力。當(dāng)系統(tǒng)中的任務(wù)不須進行非常復(fù)雜的優(yōu)先級調(diào)度，而且其任務(wù)也相對簡單時，引入實時操作系統(tǒng)似有殺雞用牛刀之嫌。
　　1 Protothread的特點
　　Protothread是專為資源有限的系統(tǒng)設(shè)計的一種耗費資源特別少并且不使用堆棧的線程模型，其特點是：
　　◆ 以純C語言實現(xiàn)，無硬件依賴性；
　　◆ 極少的資源需求，每個Protothread僅需要2個額外的字節(jié)；
　　◆ 可以用于有操作系統(tǒng)或無操作系統(tǒng)的場合；
　　◆ 支持阻塞操作且沒有棧的切換。
　　使用Protothread實現(xiàn)多任務(wù)的最主要的好處在于它的輕量級。每個Protothread不需要擁有自已的堆棧，所有的Protothread共享同一個堆?？臻g，這一點對于RAM資源有限的系統(tǒng)尤為有利。相對于操作系統(tǒng)下的多任務(wù)而言，每個任務(wù)都有自已的堆?？臻g，這將消耗大量的RAM資源，而每個Protothread僅使用一個整型值保存當(dāng)前狀態(tài)。
　　2 Protothread的阻塞運行機制
　　以下是一個典型的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）;
　　}
　　這是一個非常簡單的無線通信的狀態(tài)切換程序①，展開Protothread的宏定義，便可以得到程序3所示的展開代碼：
　　程序3Protothread宏展開代碼
　　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（?。╟ommunication_complete（） ||timer_expired（&timer））） {
　　return;
　　}
　　}
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　radio_off（）;
　　pt﹥lc = 18;
　　case 18：
　　if（！timer_expired（&timer）） {
　　return;
　　}
　　}
　　}
　　}
　　}
　　當(dāng)Protothread程序運行到PT_WAIT_UNTIL時，判斷其運行條件是否滿足，若不滿足，則阻塞。通過比對程序2和程序3的程序代碼可以得知，Protothread的阻塞其實質(zhì)就是函數(shù)返回，只不過在返回前保存了當(dāng)前的阻塞位置，待下一次Protothread被調(diào)用時，直接跳到阻塞位置執(zhí)行，再次判斷運行條件是否滿足，并執(zhí)行后續(xù)程序或繼續(xù)阻塞。
　　3 利用Protothread構(gòu)造實時多任務(wù)系統(tǒng)
　　與操作系統(tǒng)下的多任務(wù)不同，操作系統(tǒng)下的每個任務(wù)可在任意時刻被打斷并阻塞，Protothread僅能在程序員指定位置阻塞。用Protothread實現(xiàn)實時多任務(wù)，正是利用了Protothread在指定位置阻塞的特點，讓出執(zhí)行權(quán)限給更高優(yōu)先級的任務(wù)先運行