51單片機在微型智能控制系統(tǒng)中應用很廣，隨著人們對控制系統(tǒng)的要求不斷提高，51單片機的功能局限越發(fā)明顯。特別是51系列單片機不具有實時多任務支持功能，大大限制其在控制系統(tǒng)中的進一步發(fā)展。而多任務恰恰是現(xiàn)在操作系統(tǒng)的突出特點，將多任務機制引入51單片機系統(tǒng)，可以大大提高先有單片機系統(tǒng)的工作效率，滿足多任務要求。

1 多任務機制在51單片機上的實現(xiàn)原理

多任務要求在同一時間內執(zhí)行多個任務，如果只有一個處理，計算機并不是真的在給定時間段內運行多個程序，而是按時間片在各個程序間飛快切換，由于求歡非常快，所以就有了在同一時間內運行多個程序的錯覺了。

就操作系統(tǒng)的特點來看，多任務系統(tǒng)不外乎兩種方式：協(xié)同式和搶占式。在一個協(xié)同式多任務系統(tǒng)中，每個運行的程序都要負責釋放CPU控制權以便別的程序能有機會運行，不管是顯式地(Explicitly)還是隱式地(Implicitly)交出控制權。當一個程序因執(zhí)行為某個目的而安排的一個特殊的系統(tǒng)指令(如程序對磁盤絕對讀寫指令)時，稱它 顯式地放棄控制權;當它因為執(zhí)行某條系統(tǒng)指令，而該指令在執(zhí)行時又會放棄CPU的控制權(如操作系統(tǒng)虛擬內存技術的頁面切換)時，稱它隱式地放棄了控制權。

在搶占式多任務系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)必須具有從任何一個運行的程序上取走控制權和使另一個程序獲得控制權的能力。一個搶占式系統(tǒng)下運行的應用程序不用擔心獨占系統(tǒng)，因為會合理地給每個運行的任務分配時間片。將這種系統(tǒng)稱作搶占式系統(tǒng)是因為它不管在所給時間塊內會發(fā)生什么事，都搶占運行程序的控制權。

51單片機本身是單任務工作的，即程序只能按單一的線索順序執(zhí)行，一個任務完成之后(除非中斷)，才能進行下一個任務。但是，51單片機內提供了T0和T1兩個16位定時/計數(shù)器，若系統(tǒng)時鐘為12MHz，那么計時器最長可計時65.536ms，最短為1us。也即通過對定時器工作模式進行設置，可以進行1us-65.536ms的定時器工作模式進行設置，可以進行1us-65.536ms的定時中斷。如果把定時中斷用作時間片段的分配，完全可以實現(xiàn)多個任務分時輪換執(zhí)行。同時，單片機還提供INT0與INT1兩個外部中斷(可通過8259擴充多級中斷)和P0,P1,P2三個可編程的I/O端口，與定時器配合下，完全可以實現(xiàn)具有優(yōu)先權判別的多任務控制。

2 實現(xiàn)策略

2.1 通過定時器分配時間片實現(xiàn)多任務輪換執(zhí)行

由于單片機內兩個定時器可以同時工作，只要在一個定時器內開啟/關閉另一個定時器，定時器交替工作，就可以實現(xiàn)更長時間的定時。兩個16位定時器在不斷增加外部計數(shù)單元的情況下，理論上可以實現(xiàn)1us-4.29之間的定時。但是由于中斷和初始化設置等需要消耗單片機時間，所以單純使用定時器產生的最長時間片比理論值短一些。單片機內部任務輪換來說已經(jīng)足夠了。

假設多個任務控制著多個設備，可以讓單片機的I/O口連接相應的設備。每個任務分配一定的時間片，在時間片內占用CPU，進行運算和控制外部設備，多個任務之間實現(xiàn)輪換，其主流程如圖下：

若用T0產生時間片，時間片中斷內計時間片數(shù)，T1統(tǒng)計任務外不信號的頻率，可供控制系統(tǒng)參考。部分匯編源代碼如下：

org 00h;

jmp main

org 0bh

jmp tim0

org 1bh

jmp tim1

main:

. . .

mov tcon,#00000000b

mov tmod,#01010001b

mov th0,#high(65536-10000) ;10000微妙定時(時間片)

mov tl0,#low(65536-10000)

setb et0

setb et1

setb tr0

setb tr1

mov 40h,#100 ;中斷次數(shù)即時間片數(shù)存入40h;以此1秒計時為例，定時器t0執(zhí)行100次定時中斷

tim0：

push acc

push psw

mov th0,#high(65536-1000);重復產生時間片

mov tl0,#low(65536-10000)

djnz 40h,tim0c

clr trl

nop

lcall xxxx ;調用任務調度程序

mov 40h,#100 ;重置時間片數(shù)

mov 42h,th1 ;保存t1的統(tǒng)計結果

mov 41h,tl1

setb tr1

tim0c:

pop psw

pop acc

reti

;用t1做統(tǒng)計某任務外部信號頻率

tim1：

clr tr1

... ;其它調度程序

setb trl

reti

2.2 通過外部中斷后掃描端口來切換任務

如果單片機外接較多的傳感器，任務的切換需要考慮外部傳感器狀態(tài)的時候，就需要通過單片機相應外部中斷的方式切換任務。但是，51單片機只是提供了兩個外部中斷，在實際的智能儀器中完全不夠用，只有擴充中斷口。最常用的中斷擴展芯片是8259A，其是一塊功能很強的肯編程中斷控制器，可將多個外部中斷請求連接在單片機的外部中斷請求引腳INTR，并且有多種工作方式和中斷優(yōu)先級排序機制。這樣處理勢必增加電路的成本和復雜度，對改造先有單片機任務機制的單片機控制系統(tǒng)是很不利的。

考慮到很多微型控制系統(tǒng)中單片機的I/O端口并未全部利用，可以將剩余的I/O端口作為外部傳感器的狀態(tài)輸入端(單片機電源為+5V)，同時讓傳感器輸出端通過反相器統(tǒng)一接在單片機的外部中斷請求引腳，任何一個傳感器都可以向單片機發(fā)出中斷請求。在中斷后，通過程序掃描輸入端口狀態(tài)，確定是哪一個設備要求中斷，從而切換到相應的任務。在沒有中斷請求時，系統(tǒng)按任務的產生順序執(zhí)行。在此有二問題需要解決：

(1)若單片機I/O端口不多余時，怎樣處理多個中斷請求。采用多路編碼的方式可以緩解單片機端口不足的問題。例如芯片74LS148，是一塊8-3編碼器，完成八路信號編碼到三位二進制信號，只要將三位輸出信號端接入單片機I/O端口就可以通過程序判定八路外部中斷。其電路圖如圖二所示。以此類推，可以滿足更多傳感器或設備與單片機相連。

(2)外部中斷的優(yōu)先級如何處理。由于實際的微型控制系統(tǒng)中，單片機連接的外部設備比較固定，也即各外部設備中斷的優(yōu)先級比較固定，完全可以用較簡單的優(yōu)先級表法實現(xiàn)優(yōu)先級的確定。只要在內存中預置一片數(shù)據(jù)區(qū)，對應表示外部設備的中斷優(yōu)先級，那么就可以通過檢查表的方式獲得優(yōu)先級別，從而判斷任務的切換方向。進一步可以通過程序動態(tài)的修改長期等待和長期運行的任務對應的優(yōu)先級，所有任務都有機會獲得CPU。

3 二種策略的比較

上述第一種策略的主要特點是：各任務在任務調度程序控制下有條不紊的執(zhí)行，每個任務在給定的時間片內完全占有CPU，可以完成既定子任務，同時又在時間片結束時讓出CPU，以便其他任務執(zhí)行。只要恰當?shù)剡x取時間片，就可以很好地協(xié)調多個任務連續(xù)執(zhí)行，比較適合于批處理系統(tǒng)和任務既定控制系統(tǒng)。第二種策略的主要特點是：實時性很好，可以實現(xiàn)系統(tǒng)與外界交互，及時地調度相應任務。因為，在受外界影響很大的實時控制系統(tǒng)中，更多的需要考慮任務的優(yōu)先級和外部傳感器的狀態(tài)，使用外部中斷切換任務是比較理想的。而且使用了先中斷再查詢的策略，大大提高了查詢速度和準確性，同時對多路控制也有較好的支持。

4 結束

現(xiàn)在有單任務機制的51單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)多任務機制，僅僅在升級軟件(即ROM芯片中程序的重新燒寫)和增加，更改少許硬件電路的條件下，就可以使控制系統(tǒng)支持多任務處理和控制，不僅升級成本低，而且大大延續(xù)系統(tǒng)的壽命和擴充系統(tǒng)的功能，具有較高的使用價值。